一种提升真空渗碳效率的稀土注入处理方法与流程

本发明涉及的是一种材料的表面处理方法，具体地说是一种离子注入与真空渗碳相结合的表面处理方法。

背景技术：

因真空渗碳是在真空条件下进行渗碳热处理，易于获得表面无晶间氧化的高硬度马氏体组织，同时心部兼具良好的韧性，其耐磨性和抗疲劳性能均优于传统渗碳，是目前汽车底盘、轴承、齿轮、活塞销等零部件强化的重要手段。但其仍存在渗碳温度较高，渗碳工艺生产周期较长等缺点，因此利用稀土催渗技术加速热处理过程，改善渗层质量，降低渗碳温度及能耗是此项技术的一个突破点。

稀土具有很低的电负性，化学活泼性很强，可以与碳、氮等间隙元素共渗，使被渗基体缺陷密度增殖，其在渗碳、渗氮等热处理中存在极大的应用价值。早在1988年就有人提出了使用混合稀土催渗剂进行渗氮、渗碳的思想，但所选用的无机稀土催渗剂在应用中存在稀土利用率较低、残渣量较大、催渗剂容易失效等问题。后期北京有色金属研究总院提出的名称为“一种化学热处理用有机稀土催渗剂”的专利申请，可以较好地解决无机催渗剂的堵塞管路问题，但是稀土催渗剂的组分比较复杂，对渗碳工艺环节中碳势、温度等参数控制要求较高，并且此种加入稀土催渗剂的方法并不适用于真空渗碳。

离子注入技术是利用高能量离子束将所需元素以离子态注入到材料中，在不改变材料原有尺寸及粗糙度的条件下，实现均匀掺杂。注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合牢靠。离子注入技术常用于半导体掺杂改性及材料摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命方面，对于离子注入技术用于热处理催渗，改善真空渗碳效果的研究还鲜有报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能解决真空渗碳中渗层组织碳化物粗大、分散不均、渗碳周期长、效率低、温度高等问题的提升真空渗碳效率的稀土注入处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

在真空渗碳之前，先对基材进行稀土铈离子注入处理，在基材表面形成50-70nm厚的铈离子稀土注入层，再进行真空渗碳热处理。

本发明的还可以包括：

1、所述进行稀土铈离子注入处理的注入电压为40～60KV，注入计量为1×10¹⁷ion/cm²～2 ×10¹⁷ion/cm²，注入温度为25～100℃。

2、所述真空渗碳热处理的真空渗碳温度为905℃～925℃，真空渗碳后过高温回火、淬火、冷处理及低温回火处理。

3、所述高温回火的处理温度为500～650℃，保温时间为1h～4h；所述淬火的温度为800～880℃，保温时间为0.5h～3h；所述冷处理的温度为-60～-150℃，保温为0.5h～3h；所述低温回火处理的温度为150～250℃，保温时间为1h～3h。

4、所述真空渗碳热处理采用环脉冲模式，按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序进行，渗碳介质为乙炔，冷却气体为氮气，乙炔流量为1000～2000m³/h。

本发明属于热处理及表面工程等技术领域，具体涉及一种利用离子注入技术在材料表层引入稀土改性层，改善真空渗碳层质量、提高渗碳速率并降低渗碳温度的复合热处理方法。

本发明的目的是为了解决现有真空渗碳技术渗层组织碳化物粗大、分散不均、渗碳周期长、效率低、温度高等问题而提供用于真空渗碳质量改善及效率提高的一种采用离子注入手段预先在基体注入稀土离子，后进行真空渗碳的复合处理方法。

本发明利用稀土注入产生晶格畸变及稀土微合金化作用，来提高真空渗碳效率，降低渗碳温度、改善渗碳层质量。相比于现有稀土混合催渗剂的制备方法，本发明所采用的离子注入技术具有操作简单、无残渣、渗碳过程中无需分段控制碳势等优点，可在真空渗碳炉内完成催渗反应，且渗碳后渗层中碳化物细小、分布均匀，可实现渗碳温度的降低与速率的提升。

附图说明

图1为试验用基本真空渗碳工艺图；

图2a为925℃未注入稀土真空渗碳表面金相组织图片，图2b为925℃未注入稀土真空渗碳截面金相组织图片；

图3a为Ce离子注入后925℃真空渗碳层表面金相组织图片，图3b为Ce离子注入后925℃真空渗碳层截面金相组织图片；

图4为925℃真空渗碳稀土未注入与注入后渗碳层深度变化图；

图5a为905℃真空渗碳Ce离子注入后层表面金相组织图片，图5b为905℃真空渗碳Ce离子注入后层截面金相组织图片；

图6为905℃真空渗碳稀土未注入与注入后渗碳层深度变化图。

具体实施方式

本发明用于稀土元素注入的靶材主要成分为：Ce(纯度≥99％)，采用纯稀土Ce金属经精细加工、磨削等工序制备而成。

本发明采用离子注入稀土元素+真空渗碳的复合处理手段来改善渗碳层质量，提升渗碳效率的方法按以下步骤实现：

一、取待渗基体，切割成块体，并依此使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将切割后的基材表面打磨光滑，随后使用金刚石抛光膏抛光，并用无水乙醇清洗备用；

二、将步骤一中处理好的试样块，放入MEVVA直流线性离子注入机中进行稀土元素注入。注入前，先将注入室抽至真空状态，随后使用氩气清洗所需注入元素靶材3-10min。注入试验参数为：控制注入电压40～60KV，注入计量1×10¹⁷ion/cm²～2×10¹⁷ion/cm²，注入温度25～100℃；

三、取出稀土Ce注入后的样品放入真空渗碳炉中，加热至渗碳温度，同时将炉内抽至真空度为1×10^-3Pa以下。真空渗碳过程采用环脉冲模式，按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序对试样进行渗碳处理，渗碳介质为乙炔(C₂H₂)，冷却气体为氮气(N₂)，渗碳温度920℃，乙炔流量1000～2000m³/h。

四、真空渗碳结束后，将炉温降至600～700℃进行高温回火处理。随后取出试样，进行油淬(750～850℃)、冷处理(-60～-130℃)及低温回火(150～200℃)等过程，完成真空渗碳及热处理工艺，基本工艺如图1所示。真空渗碳及热处理工序完成后，取出Ce注入后真空渗碳复合处理的试样块，空冷至室温以备后续检测。

下面举例对本发明做更详细的描述。

具体实施方式一：本实施方式参照常规真空渗碳工艺进行。将试样依次打磨、抛光、清洗，具体实施步骤如下：

一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将基体试样表面打磨光滑，抛光后使用无水乙醇清洗；

二、将试验得到的抛光基体试块放入ECM真空渗碳试验炉中，关闭炉门，设定渗碳模式为气体脉冲式，将炉内抽纸真空，按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序对试样进行渗碳处理，渗碳介质为乙炔(C₂H₂)，冷却气体为氮气(N₂)，渗碳温度为925℃，乙炔流量为1000～2000m³/h。其中步骤二中用于渗碳及扩散冷却的气体纯度均匀为99％以上。

三、真空渗碳结束，将炉温度降至500～650℃进行高温回火处理，随后取出试样，进行油淬(800～880℃)、冷处理(-60～-150℃)及低温回火(150～250℃)等过程完成真空渗碳及热处理工艺，真空渗碳及热处理工序完成后，取出试样块，空冷至室温以备后续检测。真空渗碳及后续热处理基本工艺如图1所示。

具体实施方式二：本实施方式用于离子注入的稀土靶材为稀土Ce靶，纯度达99％。1.

稀土Ce注入结合真空渗碳技术改善渗碳速率的复合处理方法按以下步骤实现：

一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将基体是样块表面打磨光滑，抛光后使用无水乙醇清洗；

二、采用MEVVA直流线性离子注入机进行稀土Ce离子注入试验，具体参数为：控制注入电压为40～60KV，注入计量2×10¹⁷ion/cm²，注入温度25～100℃，在合金钢表面得到Ce离子注入层；

其中步骤二中，试块放入直流线性离子注入系统后需将室内抽至真空，并用Ar气对靶材表面进行3-10min轰击处理，清洗时，注意将挡板移至靶材处，避免杂质溅射到试样块体表面。

三、将试验得到稀土Ce离子注入样品，放入ECM真空渗碳试验炉中，关闭炉门，设定渗碳模式为气体脉冲式，按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序对试样进行渗碳处理，渗碳介质为乙炔(C₂H₂)，冷却气体为氮气(N₂)，渗碳温度925℃，乙炔流量1000～2000m³/h。其中用于渗碳及扩散冷却的气体纯度均匀为99％以上。

四、真空渗碳结束，将炉温度降至600～700℃进行高温回火处理，随后取出试样，进行油淬(750～850℃)、冷处理(-60～-130℃)及低温回火(150～200℃)等过程完成真空渗碳及热处理工艺，真空渗碳及热处理工序完成后，取出试样块，空冷至室温以备后续检测。

具体实施方式三：本实施方式将依次经打磨、抛光、清洗不做任何前处理工艺的试样进行低温真空渗碳热处理，具体实施步骤如下：

一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将基体试样表面打磨光滑，抛光后使用无水乙醇清洗；

二、将试验得到的抛光基体试块放入ECM真空渗碳试验炉中，关闭炉门，设定渗碳模式为气体脉冲式，将炉内抽至真空，按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序对试样进行渗碳处理，渗碳介质为乙炔(C₂H₂)，冷却气体为氮气(N₂)，渗碳温度为905℃，乙炔流量为1000～2000m³/h。用于渗碳及扩散冷却的气体纯度均匀为99％以上。

三、真空渗碳结束，对试样以及进行高温回火、油淬、冷处理及低温回火等过程，具体工艺流程如图1所示，真空渗碳及热处理工序完成后，取出试样块，空冷至室温以备后续检测。

具体实施方式四：本实施方式用于离子注入的稀土靶材为稀土Ce靶，纯度达99％。运用离子注入稀土Ce离子复合处理进行真空渗碳催渗方法按以下步骤实现：

一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将基体是样块表面打磨光滑，抛光后使用无水乙醇清洗；

二、采用MEVVA直流线性离子注入机进行稀土Ce离子注入试验，具体参数为：控制注入电压为40～60KV，注入计量2×10¹⁷ion/cm²，注入温度25～100℃，在合金钢表面得到Ce离子注入层；

其中步骤二中，试块放入直流线性离子注入系统后需将室内抽至真空，并用Ar气对靶材表面进行3-10min轰击处理，清洗时，注意将挡板移至靶材处，避免杂质溅射到试样块体表面。

三、将试验得到稀土Ce离子注入样品，放入ECM真空渗碳试验炉中，关闭炉门，设定渗碳模式为气体脉冲式，按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序对试样进行渗碳处理，渗碳介质为乙炔(C₂H₂)，冷却气体为氮气(N₂)，渗碳温度905℃，乙炔流量1000～2000m³/h，用于渗碳及扩散冷却的气体纯度均匀为99％以上。

四、真空渗碳结束，对试样以及进行高温回火、油淬、冷处理及低温回火等过程，具体工艺流程如图1所示，真空渗碳及热处理工序完成后，取出试样块，空冷至室温以备后续检测。

本实施分别得到925℃和905℃真空渗碳样品截面硬度测试在TH702型显微硬度仪上进行，测试载荷为1000g；截面金相腐蚀液为4％的硝酸-酒精，检测结果如图2a～b、图3a～b、图4、图5a～b、图6所示，说明前处理离子注入稀土Ce可提高真空条件下碳元素的渗碳系数，缩短渗碳时间，降低渗碳温度，改善渗层质量。

低碳合金钢真空渗碳表面组织形貌及硬度分布曲线表明：采用相同工艺，注入稀土Ce催渗在渗层组织上碳化物级别降低，更为细小弥散，分布更加均匀，在渗碳速度上有明显提高，采用离子注入Ce离子层前处理稀土催渗的真空渗碳速度要比未注入稀土的真空渗碳速度提高13％左右。降低真空渗碳温度到905℃，经过相同的真空渗碳条件(渗碳时间、真空度、脉冲周期等)稀土前处理渗层深度与925℃相当，Ce离子注入相比于未经处理试样，渗碳速度可提升12％。