一种纯铁部件提高硬度的工艺方法与流程

本发明属于机械零部件强化方法，特别是涉及一种纯铁部件提高硬度的工艺方法，其能够限制提高纯铁部件的硬度至9~10倍。

背景技术：

金属材料的诸多性能的改进取决于内部的位错、孪晶产生的变化。固态相变（如马氏体相变）中施加一定的技术手段可以导致高密度的晶体缺陷的产生、并使其按照有利于力学性能的方向变化，可以促进金属材料的改性。上世纪八十年代以来兴起的纳米材料和重度塑性变形均旨在提高晶体缺陷密度。

但是，强化型固态相变中的控制手段尚待优化。现在使用的快速冷却淬火、就难以强化纯铁，应用于低碳钢时马氏体强度不高，高碳马氏体又易发生断裂、韧性较差等。如采用大塑性变形手段，组织结构不易控制程度，还出现能量转化率很低，大概局限在1-10%,的问题。高应变手段出现晶体缺陷积累的饱和等难以精确把控，技术手段的火候掌控还有待于改进。

晶体缺陷类型因应力大小而发生变化，外加应力提高导致晶体缺陷由位错转变为变形孪晶，而内应力随碳含量的增加也导致位错马氏体转变为孪晶马氏体。相比于人为外加应力，相变导致的内应力属于自然的馈赠，对之借助精密设计的技术手段引导则可成为行之有效且低能环保的机械部件改性的工艺方法。

长期以来，纯铁以优良的延展加工特性在机械加工上占据着重要地位。同时又在硬度较低、不抗冲击易形变、不具有耐磨性极大地它限制了它的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对纯铁部件提高硬度的工艺方法，通过相变过程中全方位约束限制体积膨胀、将相变产生的内能储存在晶体内部促成大量的晶格缺陷结构，最终提高纯铁部件的硬度，形成具有抗冲击、耐磨损的特性。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种纯铁部件提高硬度的工艺方法，该工艺方法基于精铸成型和高压、高温处理，该工艺方法的步骤中包括：

a、准备精铸砂型和高温加压模具：将所加工部件装配图及公差尺寸、按照精铸及后处理加工的要求做正向补偿，修正形成模型图并制成所加工部件的精铸砂型；将精铸砂型的模型图及公差尺寸、并参照线收缩系数0.0035~0.0030修改模型图尺寸及公差、制造外形六方的开合式加压钢模；

b、借助精铸工艺和精铸砂型浇注获得纯铁毛部件、简易表面处理；

c、毛部件置入916℃~925℃闷火炉中、保温3~60分钟；

d、将闷火后的毛部件置入开合式加压钢模中、合模并定位在六面压机之中；

e、选定合模的初始压力，使六面压机输出压力在1~3gpa之间，随自然降温过程采集的正反馈信号、对初始压力值随机调整，降至室温后卸压；

f、取出毛部件，清理氧化层、依照装配零件图规定的尺寸公差处理、精加工、抛光。

优选的，步骤e中出现负反馈信号时，延迟1~200s，即执行卸压。

步骤e中所述的正或负反馈信号是设置在开合式加压钢模内表面的压力传感器采集、并传送至六面压机的控制电路。

优选的，所述纯铁部件是由圆柱、半圆柱、球、半球型、四方或六方体之中的任意一种或两种以上组合而成。

优选的，所述纯铁部件是定位销、或滚针，或光轴、或带轴承肩的轴。

所述纯铁部件是球形滚珠，或球冠，或端面有短轴的球台状转动限位部件。

所述纯铁部件是截面为正三角形、或正四边形、或正六边形的柱状体，或是以上的柱状体和两端面结合形成的滑键轴。

所述纯铁部件是薄板冲压件。该部件可用做防弹衣的铠甲鳞板。

上述技术方案中利用纯铁具有加热到相变温度体积缩小，降温过程中相变复原、伴随体积膨胀的特性，通过限制降温相变过程中体积的膨胀，使相变内应力完全释放在纯铁晶格中，在纯铁晶格内部产生大量缺陷，形成的位错密度达10¹⁶~10¹⁷/m²，纳米孪晶的尺寸低于20nm，大幅提高了纯铁的硬度。

其加工的基本原理是：根据所加工部件制备精铸砂型和配套高温加压模具，借助精铸工艺和精铸砂型一次成型所设计成的部件，再根据纯铁的膨胀特性计算出加压模具的配套尺寸。当将纯铁部件加热到相变温度以上后，快速将加压模具加载到纯铁部件上，并通过对加压模具持续加载设定压力来限定纯铁部件降温过程中的体积膨胀。

采用上述技术方案产生的有益效果在于：（1）本发明根据纯铁部件的膨胀特性设计两种模具——精铸砂型模和高温加压模即可实现纯铁部件的一次成型和强化处理，且成型部件尺寸精密、平均误差很小，适用于工业化的精密生产；（2）纯铁部件成本低、容易加工，强化处理方法简单、易行，提高纯铁部件的硬度最高到10倍，达到或接近普通的硬质合金强度，且解决了硬质合金加工难的难题，为钢铁材料的硬化与应用开拓新的工艺路线。

附图说明

图1是纯铁在升温过程和降温过程中线膨胀特性曲线；

图2是一个纯铁部件结构示意图；

图3是图2中待强化的纯铁部件的开合式加压钢模的分解结构示意图；

图4是未经强化处理和经强化处理的纯铁部件xrd分析；

图5是经强化处理后纯铁部件xrd的tem图。

具体实施方式

一种纯铁部件提高硬度的工艺方法，该工艺方法基于精铸成型和高压、高温处理，该工艺方法的步骤中包括：

a、准备精铸砂型和高温加压模具：将所加工部件装配图及公差尺寸、按照精铸及后处理加工的要求做正向补偿，修正形成模型图并制成所加工部件的精铸砂型；将精铸砂型的模型图及公差尺寸、并参照线收缩系数0.0035~0.0030修改模型图尺寸及公差、制造外形六方的开合式加压钢模。本领域技术人员根据待加工部件的装配图纸，以及公差尺寸和线收缩系数的要求，可以精确设计和加工上述的精铸砂型和高温加压模具。

本实施例中线收缩系数取值0.0035~0.0030，参见图1，参照该线收缩系数设计的高温加压模具合模后，比纯铁部件的最小体积稍大，但是小于相变过程中纯铁部件的线性尺寸。

本实施例中开合式加压钢模的外形为六方结构，便于对其施加外加超高压，开合式加压钢模合模后芯模1的形状与纯铁部件形状和线性尺寸匹配。

所述开合式加压钢模采用硬质合金材料制成。

b、借助精铸工艺和精铸砂型浇注获得纯铁毛部件、简易表面处理。根据现有的精铸工艺，利用步骤a中精铸砂型获得纯铁毛部件，去除因浇注形成的毛刺。

c、毛部件置入916℃-925℃闷火炉中、保温3-60分钟。该温度高于纯铁的相变温度，且对应的线收缩系数0.0035~0.0030。

d、将闷火后的毛部件置入开合式加压钢模中、合模并定位在六面压机之中。六面压机采用现有的设计原理，进行相适应性设计。

e、选定合模的初始压力，使六面压机输出压力在1~3gpa之间，随自然降温过程采集的正反馈信号、对初始压力值随机调整，降至室温后卸压。该步骤中所述的正反馈信号是由设置在开合式加压钢模内表面的压力传感器采集、并传送至六面压机的控制电路。正反馈信号即压力值增加的信号，根据反馈的正反馈信号值，六面压机增加相应的压力值，并随着正反馈信号随时进行调整。

本实施例中，对纯铁部件的压力值可以一直保持至室温，再卸压。在其它实施例中，可以在出现负反馈信号时，延迟一定时间，如1~200s，即执行卸压。所述负反馈信号即压力传感器采集到的开合式加压钢模内表面压力降低，表明纯铁的相变完成，延迟一定时间后即可卸压。

f、取出毛部件，清理氧化层、依照装配零件图规定的尺寸公差处理、精加工、抛光。

具体使用本方法的应用中，所述纯铁部件是由圆柱、半圆柱、球、半球型或截面为多边形柱状体之中的任意一种或两种以上组合而成。所述圆柱类部件如：定位销、或滚针，或光轴、或带轴承肩的轴，其中带轴承肩的轴为三个圆柱体的组合；所述球类或半球类部件如：球形滚珠，或球冠，或端面有短轴的球台状转动限位部件，其中端面有短轴的球台状转动限位部件为球台与圆柱体的组合；所述截面为多边形柱状体，如截面为正三角形、或正四边形、或正六边形的柱状体，或是以上的柱状体和两端面结合形成的滑键轴。

所述纯铁部件应用中还可以采用薄板冲压件。薄板冲压件可以是规则形状，也可以是异型结构，将开合式加压钢模的截面根据线收缩系数设置成相应的尺寸和形状，然后将闷火处理后的薄板冲压件放置于加压钢模中固定，再合模加压。该部件可用于防弹衣铠甲鳞板的加工，将各防弹片组合形成防弹衣的防弹层。

具体地，本实施例以一个带轴承肩的轴为例，说明本发明的高温加压模具的使用和强化结果。参见图2，是纯铁部件结构示意图。

其具体的加工和强化的方法为：

a、准备精铸砂型和高温加压模具：将所加工部件装配图及公差尺寸、按照精铸及后处理加工的要求做正向补偿，修正形成模型图并制成所加工部件的精铸砂型；将精铸砂型的模型图及公差尺寸、并参照线收缩系数0.003修改模型图尺寸及公差、制造外形六方的开合式加压钢模，参见图3，开合式加压钢模的芯模1形状与纯铁部件形状相同，其尺寸是参照线收缩系数0.0030和公差进行计算、并经过精密加工而成的，具体的，根据直径大小的差异，将带轴承肩的轴以粗轴和细轴为参数分成三部分进行加工，每个部分分成了四个子模，并在每个子模的对接面上分别设有定位销2。

准确的计算和控制加压钢模的公差尺寸，并经过标准过程的修正是成功的关键。

b、借助精铸工艺和精铸砂型浇注获得纯铁毛部件、简易表面处理。

c、毛部件置入916℃~925℃闷火炉中、保温3~60分钟。

d、将闷火后的毛部件置入开合式加压钢模中、合模并定位在六面压机之中；使用开合式加压钢模时，可以以芯模1的轴向切面为面、整体上对称地将开合式加压钢模分成上半部分和下半部分，然后将上半部分和下半部分分别借助定位销2预定位，然后将毛部件快速置于预定位的下半部分钢模中，再将上半部分预定位的钢模与下半部分钢模对位，最后在六面压机的作用下、逐渐合模，直至毛部件的体积缩至接近相变点时，完全合模。

e、选定合模的初始压力，使六面压机输出压力在2gpa，随自然降温过程采集的正反馈信号、对初始压力值随机调整，降至室温后卸压。在开合式加压钢模内表面设置有压力传感器，当毛部件的体积缩小至最小时，该开合式加压钢模内表面与毛部件之间的压力可能为0，此时六面压机压在开合式加压钢模上；随着温度低于相变点，开合式加压钢模内表面与毛部件之间产生正反馈信号，六面压机根据正反馈信号值增大压力；当毛部件的温度降至室温后，卸压。

在其它实施例中，当六面压机接收到负反馈号时，延迟100s后，卸压，以提高强化效率，节约能量。

f、取出毛部件，清理氧化层、依照装配零件图规定的尺寸公差处理、精加工、抛光。

对未经步骤e处理的毛部件以及经过步骤e处理后的部件分别进行xrd分析，结果参见图4，表明：经过强化处理的试样并未发生相变，即加热到相变温度以上后，试样发生相变，在降温过程中，并未因限制体积膨胀而阻止相变复原，相变内应力释放在纯铁晶格中，形成大量的晶格缺陷，用透射电镜tem进行分析，结果参见图5，从图中可以看出：经过强化后的样品形成了高密度的位错和大量的纳米孪晶，孪晶尺寸小于20nm。

将本实施例成功强化处理后部件采用显微硬度仪进行硬度测试，试验力200克，保压时间10秒，结果表明：经本实施例处理后的纯铁部件硬度达到hv863。比未经处理的纯铁部件（硬度为hv82~85）的硬度提高了9~10倍。

综上所述，本发明强化处理方法简单、易行，提高纯铁部件的硬度最高到10倍，达到或接近普通的硬质合金强度，且解决了硬质合金加工难的难题，为钢铁材料的硬化与应用开拓新的工艺路线。