一种铁基材料表面处理的方法与流程

本发明属于材料热处理，具体涉及一种铁基材料表面处理的方法。

背景技术：

1、铁基材料表面渗氮和氧化都是常见的表面处理方法。因为成本低，操作简便，而得到了广泛的应用。

2、渗氮工艺是将基体置于渗氮气氛中，使渗氮的活性介质元素渗入基体表面并扩散，改变表面层的组织结构，形成化合物层和扩散层，从而提高基体的表面性能。其中，基体的表面硬度、摩擦磨损、抗腐蚀、抗咬合等表面性能是靠化合物层的厚度和组织形态来保证的；基体的疲劳强度、抗应力腐蚀、交变载荷承载能力等力学性能是靠内部扩散层的厚度和组织形态来保证的。目前各种渗氮工艺普遍存在渗氮层偏薄、组织形态欠佳的缺陷，未能有效地提高基体的表面性能。通过渗氮前的预处理改善基体表层的组织结构和表面形貌，能够不同程度地解决渗氮工艺存在的上述问题。而渗氮预处理效果的差异会相应的影响到渗氮处理后的基体表面性能。

3、渗氮预处理现有技术的工艺流程为：基体正火加回火调质热处理→精机械加工→去应力热处理→抛光或精磨→装炉前清洗；其中，所谓调质是使基体组织转变为回火索氏体，目的是改善基体的组织结构；精机械加工是除去调质引起的脱碳，降低表面粗糙度；抛光或精磨是提高基体精度和表面光洁度；装炉前清洗是除去基体表面的油污和杂质。

4、渗氮预处理现有技术不足之处包括：(1)耗工、耗时、耗能都过高；(2)难以保持预处理的质量稳定性；(3)表面抛光或精磨所残留的杂质会阻碍活性介质原子或离子的渗入和扩散，产生渗入弯曲和渗层不均匀缺陷；(4)装炉前清洗仍然残留或生成少量影响渗氮的杂质和锈迹；(5)渗氮处理仅作用于表面层，而针对基体进行高温相变热处理为回火索氏体，未能满足渗氮的表面层组织结构要求；(6)去应力热处理不一定能够获得有益的表面残余压应力；(7)机械切削和精磨或抛光的加工痕迹有方向性，导致降低基体表面层的疲劳强度。这些不足之处都有可能导致渗氮处理出现渗氮层偏薄、组织形态不良的缺陷。

5、氧化处理是在渗氮后的化合物层表面生成氧化物层，与化合物层复合强化基体表面性能。氧化物层的覆盖率和厚度将直接影响到基体表面的复合强化效果。由于化合物层表面可能存在疏松层和钝化膜，除了离子渗氮处理之外，一般都要进行氧化前的预处理。

6、氧化预处理现有技术的工艺流程为：精机械加工→抛光或精磨；目的是除去化合物层表面的疏松层和钝化膜，并恢复或提高化合物层表面的光洁度和基体精度。

7、氧化预处理现有技术的不足之处在于：(1)精机械加工和抛光或精磨必然损伤化合物层表面，加工痕迹有方向性，降低了化合物层既有的抗疲劳、耐腐蚀、耐磨等表面性能；(2)未能有效地改善化合物层的表面组织结构，也未能无盲区地除去化合物层表面的钝化膜，还会残留杂质，因而未能提高后续氧化处理的工艺效果。

8、综上所述，现有技术的渗氮预处理和氧化预处理存在一定的负面影响，而且未能给渗氮或氧化处理带来更好的有益效果。

9、喷丸也是常见的表面处理方法。喷丸技术起源于上世纪三十年代，以其适应性广，自动化程度高，质量稳定，成本较低，强化效果显著的优势，广泛应用于各种材料的表面强化处理。1959年美国军用标准(mil-c-26074a)规定，军用产品的零构件在电镀前必须进行喷丸处理。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种铁基材料表面处理的方法。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、本发明首先根据最终工序确定具体的铁基材料表面处理工艺路线，然后采用喷砂及喷丸强化或喷丸抛光等技术手段，引入塑性变形的应力强化、组织强化和相变强化，进行基体预处理和工作面二次预处理；分别为渗氮处理形成形变催渗层，为最终工序改良工作面的表面形态，并通过预氧化处理为后渗氮处理形成氧化催渗层，使得铁基材料表面处理获得更厚的、组织形态良好的复合强化层，大幅度提高基体的表面性能。

4、本发明提供的铁基材料表面处理的方法，包括如下步骤：

5、对基体预处理，然后预氧化处理或渗氮处理，接着对工作面进行二次预处理，得到二次预处理后的基体，最后进行后渗氮处理或后氧化处理，得到表面处理后的铁基材料。

6、其中，

7、以所述后渗氮处理为最终工序时，铁基材料表面处理的工艺路线为：基体预处理→预氧化处理→工作面二次预处理→后渗氮处理，得到表面处理后的基体；

8、以所述后氧化处理为最终工序时，铁基材料表面处理的工艺路线为：基体预处理→渗氮处理→工作面二次预处理→后氧化处理，得到表面处理后的基体；

9、所述渗氮处理(包括后渗氮处理)和所述氧化处理(包括后氧化处理)均采用现有技术，在制订具体实施方式时，根据零件的功能和性能设计要求分别选取适用的处理工艺；

10、所述渗氮处理包括渗入介质状态为液态、气态或等离子态中的各种工艺；

11、所述现有技术的氧化处理后，在基体表面生成氧化物层；所述现有技术的渗氮处理后，在基体表面形成化合物层，次表面形成扩散层，外表面可能存在疏松层。

12、进一步地，所述对基体预处理依次包括：空气氧化处理、喷砂处理、喷丸处理。

13、进一步地，所述空气氧化处理的反应温度为420-460℃，反应时间为20-40min，随后降温至400℃时空冷。所述空气氧化处理可以无盲区地排除基体表层油渍，还可以在基体表面生成有益的氧化膜层。

14、进一步地，所述喷砂处理依次包括：非工作面喷砂处理和工作面喷砂处理；所述非工作面喷砂处理的气压为0.5-0.8mpa，磨料为40-80目钢砂，喷砂处理的时间为6-12min；所述工作面喷砂处理的气压为0.5-0.7mpa，磨料为50-100目钢砂，喷砂处理的时间为10-16min；所述喷砂处理可以无盲区地除去基体的表面杂质；所述工作面喷砂处理后，工作面的表面粗糙度≤ra2.5。

15、进一步地，所述喷丸处理依次包括：工作面的喷丸强化处理和喷丸抛光后吹尘复合处理；所述喷丸强化处理采用φ0.3-0.8mm铸钢丸，覆盖率为100％-150％；所述喷丸强化处理产生表层塑性变形改良表面层组织结构，形成渗氮处理所需的形变催渗层；

16、所述喷丸抛光处理采用φ0.2-0.4mm铸钢丸，通过调整喷丸工艺参数为喷丸抛光工作状态，对所述形变催渗层表面喷丸抛光处理，覆盖率为150％-200％；所述喷丸抛光后吹尘复合处理在提高表面光洁度的同时产生塑性变形，进一步改良形变催渗层的表面组织结构。

17、进一步地，所述基体预处理后，工作面的表面粗糙度≤ra0.63。

18、优选的，经喷丸抛光处理后的表面粗糙度可能未达到零件的设计要求时，可以接着对工作面进行机械光整加工处理。

19、进一步地，所述对工作面进行二次预处理包括：工作面喷丸抛光后吹尘复合处理；所述喷丸抛光处理采用φ0.2-0.4mm铸钢丸，通过调整喷丸工艺参数为喷丸抛光工作状态，对工作面喷丸抛光处理，覆盖率为150％-200％；所述工作面二次预处理后，能够无盲区地为最终工序改良工作面的表面形态。

20、优选的，所述工作面的表面形态包括：表面层的组织细化和表面的活化(在喷丸抛光条件下排除表面钝化膜)以及表面光洁度。

21、进一步地，所述二次预处理后的工作面表面粗糙度≤ra0.63。

22、进一步地，若对基体预处理后进行预氧化处理，则对后续二次预处理后的基体进行后渗氮处理。

23、进一步地，所述预氧化处理包括：在350-450℃条件下进行20-40min的空气氧化处理后，接着采用能够获得疏松多孔结构且fe3o4含量相对较高、以及相对较厚的氧化物层的氧化处理工艺，进行二次氧化处理(按照现有技术完成氧化处理)，从而完成预氧化处理过程；所述预氧化处理后，形成后渗氮处理所需的氧化催渗层。

24、优选的，所述二次氧化处理可以采用反应介质为水蒸气或氢氧混合气等富氧气体、反应温度为550-600℃、反应时间为1-2h的现有技术的氧化处理工艺，生成疏松多孔结构且fe3o4含量相对较高、以及相对较厚的氧化物层，完成预氧化处理过程。

25、优选的，所述二次氧化处理还可以采用现有技术的盐浴氧化处理工艺，该工艺包括：预热的温度为350-450℃，时间为20-40min；盐浴氧化处理的反应温度为360-450℃，反应时间为30-50min，生成疏松多孔结构且fe3o4含量相对较高、以及相对较厚的氧化物层，完成预氧化处理过程。

26、进一步地，所述最终工序的后渗氮处理，在形变催渗层和氧化催渗层的共同催渗作用下，使得渗速加快，渗层加深，化合物层更硬更厚更均匀，形成更厚的、综合性能优良的复合强化层。

27、进一步地，若对基体预处理后进行渗氮处理，则对后续二次预处理后的基体进行后氧化处理。

28、进一步地，所述渗氮处理在形变催渗层的催渗作用下，活性介质原子得以快速渗入，在内部扩散时相对滞后而趋向于表面逐渐富集，使得渗速加快，渗层加深，化合物层更硬更厚更均匀。

29、进一步地，所述最终工序的后氧化处理，在工作面表面形态良好的条件下，所述化合物层表面生成的氧化物层相对较厚且均匀，密度更高，形成综合性能良好的、耐磨和减摩性能优良的复合强化层。

30、优选的，所述喷丸抛光工作状态，是通过调整弹丸的材质、直径、速度、和喷射角度，以及喷嘴至零件表面距离等工艺参数，降低喷丸强度从而提高表面光洁度。

31、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

32、(1)本发明在基体预处理中，通过空气氧化处理和喷砂处理，无盲区地分别除去基体表层的油渍和表面杂质，同时降低表面粗糙度，且不产生锈迹等负面影响，其工艺效果优于现有技术。

33、(2)现有技术含有机械切削和精磨或抛光等工序，加工痕迹有方向性，降低了基体表面层的疲劳强度；本发明采用喷砂及喷丸强化或喷丸抛光等技术手段进行基体预处理和二次预处理，基体表面是细小且分布均匀的球冠形凹坑的包络面，规避了上述缺陷，同时改良了表面层组织结构和表面形貌。

34、(3)本发明在二次预处理中，采用喷丸抛光后吹尘复合处理取代现有技术的精机械加工和抛光或精磨处理，无盲区地规避了损伤化合物层和表面残留杂质的缺陷，还可以为最终工序改良工作面的表面形态。

35、(4)现有技术针对基体进行调质和去应力热处理，是未能满足渗氮的表面层组织结构要求的；本发明通过喷砂及喷丸强化或喷丸抛光处理，显著改良了包括残余压应力在内的基体表面层组织结构，还改善了表面形貌，且大幅度降低能耗，工艺简单，质量稳定。

36、(5)本发明通过喷砂后喷丸强化复合处理，形成形变催渗层，使得渗氮处理的渗速更快，渗层更深。

37、(6)本发明通过喷丸强化后喷丸抛光复合处理，在提高工作面表面光洁度的同时，进一步改良了形变催渗层的表面组织结构，使得渗氮处理获得更硬更厚更均匀的化合物层。

38、(7)本发明通过预氧化处理生成疏松多孔结构且fe3o4含量相对较高、以及相对较厚的氧化催渗层；使得后渗氮处理在形变催渗层和氧化催渗层的共同催渗作用下，获得更厚的、综合性能优良的复合强化层，显著提高基体的表面性能。

39、(8)本发明在基体预处理和二次预处理中分别实施工作面的喷丸抛光后吹尘复合处理，使得表面光洁，有利于提高基体的表面性能，并获得良好的表面形貌。

40、(9)本发明所实行的基体预处理和二次预处理以及预氧化处理，方法简单，自动化程度高，成本低，便于工艺质量的过程控制，工艺效果显著且无负面影响，促使铁基材料表面处理大幅度提高基体的表面性能。