一种以石墨化微纳米碳材料为扩散源的表面深层强化方法与流程

本发明涉及一种材料表面的强化方法，尤其是一种以石墨化微纳米碳材料为扩散源的表面深层强化方法。

背景技术：

表面硬化法是指通过适当的方法使零件的表层硬化而零件的心部仍然具有强韧性的处理。通过这种处理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲劳性，而由于零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，因此对冲击载荷有良好的抵抗作用。常用的表面硬化处理方法主要有渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火以及渗金属等。

通过化学热处理，在材料表面引入外来元素是最为常见的材料表面改性方法，提高材料表面的硬度、耐磨性和耐蚀性的同时又能保证基体内部具有一定的强韧性，在工业生产中已经被广泛的应用。经过长期的发展，人们投入了大量的精力和物力来研究这些化学热处理方法，包括各种材料表面改性工艺的优化，化学热处理过程中各种工艺参数的影响，以及改性后表面的硬度、摩擦磨损和腐蚀等性能的分析和测试等。其中渗氮，渗碳等表面改性方法应用最为成熟普遍。然而传统处理方法普遍存在能耗大，周期长，强化层薄弱等难以解决的技术问题，长期制约其在复杂恶劣工况下的应用。

现有技术仅对固体渗碳剂的成分配方及含量配比进行改善，以获得良好表面性能，例如，一种可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂，其主要成分为30-50wt％的氧化铝，10-30wt％的石墨粒，30-50wt％的碳酸盐/碳酸氢盐混合而成，所采用的石墨粒径为0.2-2mm，可缩短渗碳处理时间50-65％，表层厚度提高10-30％；以及一种提高Cr₁₂MoV钢综合性能的优化渗碳工艺，其中渗剂主要由碳化碳、氟碳酸钾、碳化硅、活性碳、木炭粉及尿素、氯化稀土等组成。然而现有技术并没有涉及采用具有超高活性的微纳米尺度的碳源所进行的表面改性处理，仍然存在能耗大，周期长，强化层薄弱，强化层厚度不可控等技术问题。

近年来，具备超高性能的新型碳材料的出现，引起了各行各业的广泛关注。然而新型碳材料在结构材料，耐磨材料，功能材料的工业化应用还鲜有可见。尤其对于微纳米尺度的碳材料，目前很少在实际工程应用方面得到重视，特别是采用这种微纳米碳材料实现对材料表面的强化目前还没有实现。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种以石墨化微纳米碳材料为扩散源的表面深层强化方法，能有效提高强化效率，缩短强化周期，材料表面形成的强化层的厚度、强度和硬度都大大提高，且硬化层深度可控，能耗低。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种以石墨化微纳米碳材料为扩散源的表面深层强化方法，包含以下步骤：一)对微纳米碳材料的微粉进行石墨化处理，获得石墨化产物微粉；二)使用石墨化产物微粉对基体材料进行扩散处理，对基体材料产生固态热扩散作用；三)对扩散处理后的基体材料做相变处理。

相比现有材料表面硬化方法，特别是渗碳处理，本发明的一种以石墨化微纳米碳材料为扩散源的表面深层强化方法，创新性地将微纳米碳材料应用到实现对材料表面的强化方法中，该方法过程是在扩散处理过程中引入纳米级碳材料及其石墨化产物作为扩散源，有效提高了扩散速率，能缩短强化周期，基体中的碳元素能以特殊方式固溶在晶格中，提高了材料强度，造成大量的晶格畸变与位错群等微观亚结构，并且以这种方式固溶的碳元素会使得基体材料表面经过固态相变后，具有超高的强度和硬度。该方法使材料表层具有高于基体内部1-800HV的高硬度，由表层至材料心部可得0.1μm-50mm量级的硬化层厚度，并可通过调整各阶段处理工艺控制硬化层深度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的所获得的低碳钢基体表层的透射电镜微观组织。

图2为实施例3中所获得的基体由表层到心部硬度分布。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的种以石墨化微纳米碳材料为扩散源的表面深层强化方法，其过程是：首先，利用微纳米碳材料的石墨化效应，将石墨化产物微粉混合催化剂，对基体材料表面进行固态热扩散处理，固态热扩散后的基体材料进行相变处理，并进行回火，稳定组织，得到的材料表层微观组织为纳米级混合相结构，最终使材料表层具有高于基体内部1-800HV的高硬度。由表层至材料心部可得0.1μm-50mm量级的硬化层厚度，并可通过调整碳源扩散工艺控制硬化层深度。

在本实施例中，所述步骤一和步骤二可以是分步进行，即先进行石墨化处理，再进行扩散处理，中间间隔时间，还可以是将石墨化处理和扩散处理不间隔时间地连续进行，石墨化处理所产生的石墨化产物直接作为扩散处理碳源，保证内部碳的反应变化连续并同时进行，无时间间隔，。而基体材料的相变处理，可在石墨化产物对基体材料的固态热扩散处理过程之后无需冷却，随即进行，也可在其随炉冷却后再进行奥氏体化处理。当完成步骤二的热扩散作用进行随炉冷却时，所得基体材料微观组织内部含有高密度位错结构，从而引起基体金属亚结构细化，有助于提高基体材料的机械性能。

步骤一中石墨化处理的过程可以是，在真空或惰性气体保护环境中，且在300℃～1500℃温度条件下进行，最终得到高活性的石墨化产物。其中，微纳米碳材料为微纳米级碳的同素异构体中一种或任意几种的混合物。

步骤二中的扩散处理，可以是在真空或惰性气体保护的密闭环境中，将石墨化产物微粉，在高于基体材料奥氏体化温度1-500℃条件下，混合催化剂，均匀铺展在基体材料表面，铺展的厚度保证在0.1-50mm范围内，保温0.1-200小时，进行扩散处理。其中，所述催化剂为活性催化剂中的一种或几种，例如所采用的活性催化剂为Na2CO3，NaCl或BaCO3，则催化剂为Na2CO3，NaCl、BaCO3或其他活性催化剂中的一种或几种。此步骤中所采用的基体材料为铁基材料，含铁量超过30％的多元合金材料，例如，铝、镁、钛合金，多元高温合金，非晶合金材料或者含有金属元素的复合材料均可。

步骤三中的相变处理可以是：将所得奥氏体状态下的基体材料经水冷或油冷至室温，再经低温回火处理，所得材料表层微观组织为纳米级混合相结构。具体地，将得到的基体材料在奥氏体状态下进行快速冷却处理，冷却介质为油，水，盐水或特制冷却剂，然后将基体材料置于80-500℃温度范围内的环境中等温处理0.1-10小时，之后水冷至室温。

具体的实施例中的工艺参数和性能参照表1，并且其中实施例1-8中，设置微纳米碳材料及催化剂的混合物在基体材料表层的铺展厚度为20mm，扩散处理的温度均为高于基体奥氏体化温度300℃。对应于不同的保温时间，可以获得不同的表面硬度和硬化层深度。以下实施例中，扩散完成后的相变处理过程中采取的冷却介质为油或水。微纳米碳材料微粉的石墨化和石墨化产物对基体材料的固态热扩散处理可同时进行，亦可分步进行。

表1.各实施例中的工艺参数及性能

由上述表格实施例数据可见，本发明方法使材料表层具有高于基体内部1-800HV以上的高硬度，由表层至材料心部可得0.1μm-50mm量级的硬化层厚度，并可通过调整碳源扩散工艺控制硬化层深度。

参见图1，为低碳钢基体经过该发明所述的方法强化后获得的表层透射电镜组织图像，其内部含有尺度小于100nm的纳米级极细组织，包括纳米级α相和γ相的混合结构、马氏体、贝氏体及残余奥氏体组织。该组织结构不同于传统渗碳钢内部的马氏体和残余奥氏体组织。

参见图2，对应于实施例3，以低碳钢为基体，扩散保温5小时，并进行相变处理后，由材料表面至基体内部，材料的硬度逐渐降低，最表面的硬度达到1000MPa以上，而基体内部的硬度则保持在200-300MPa，即表层硬化而心部仍然具有强韧性，达到了表面硬化的目的，并且从图中还可以得知，材料的硬化层深度为2000μm。证明了本方法能够得到表层超高硬度和超厚硬化层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明采用的扩散源为微纳米碳材料及其石墨化产物，具有纯净新鲜微结构，高的表面活性，且不引入破坏性杂质，保证其结构完整。其石墨化产物可不断由微纳米碳材料所提供，保证在对基体材料进行固态热扩散过程中的足够用量。而且微纳米碳材料在热扩散处理过程中消耗量少，不产生副产物，并且可以回收，重复利用。

第二，与传统固态化学热处理方法相比，本发明能快速有效地将特殊纳米碳结构引入到基体材料中，相同时间条件下能得到2-50倍于传统渗碳的超厚扩散层。且碳元素以特殊方式固溶在基体材料表面，经过固态相变后，具有超高的强度和硬度。

第三，本发明技术工艺灵活可控，可根据实际工程的需要，调控处理时间及温度范围，获得所需的扩散层深度。可控制固态相变过程的冷速和后续的保温温度范围及时长，获得所需的表面强化层的强度范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。