本发明涉及表面淬火强化处理技术领域，具体地说是涉及适用于金属和合金零部件的深层高硬度复合表面淬火强化处理方法。
背景技术：
随着冶金、重矿、石油、船舶兵器、装载、军工、航空航天及发电站等工业领域朝着大载荷、高精度、高效率和高度自动化的方向发展，对关键核心部件的性能要求也日益苛刻。因此，开发出高耐磨、高装配精度、长使用寿命、优异运行可靠性的金属和合金零件的制造加工方法，既是我国先进制造技术的关键核心环节，又是高新技术蓬勃发展的有力支撑。
目前，国内外许多成功的应用实例已经表明，通过表面淬火处理技术来提高材料表面硬度是保证零件尺寸精确度、降低摩擦力矩、提高表面耐磨性、延长疲劳寿命的有效手段。表面淬火强化处理可以将低成本、性能较差的基材表面改性为高硬度、高耐磨的硬化层，从而显著改善整体材料的综合力学性能，并能有效降低成本、提高加工效率。
现有的表面强化处理包括感应加热表面淬火(如公开号为cn1176229c、cn101379203、cn103173595b的专利申请)、高能束表面相变淬火(如公开号为cn103614541b、cn106702094a、cn103290176a的专利申请)、表面化学热处理(如公开号为cn101343747a、cn100554519、cn100523284的专利申请)、表面涂层技术(如公开号为cn106609349a、cn102527612b的专利申请)和表面机械强化(如公开号为cn106702116a、cn105177256a专利申请)等。
但是，这些表面强化处理方法都存在各自的工艺局限。比如，表面化学热处理存在镀膜结合力弱、均匀性差的问题，而且生产过程会产生有毒有害物质，不利于人工操作和可持续发展。表面涂层技术则面临涂层与基体结合力差、成本昂贵等难题。而表面机械强化易在表面形成过硬化而变脆，弱化材料性能。相比之下，感应加热表面淬火和高能束表面相变淬火在很多领域有着更广泛的应用前景。
其中，感应加热淬火是将试样置于空心铜管绕成的感应器内，通入交流电或磁等在试样表面形成感应电流，使其表面迅速加热到高温，随后立即喷射或浸泡淬火介质来获得细小马氏体组织，进而提高表面硬度值。这种方法的优势在于加热速度快、能量消耗少、污染小、效率高、易于实现自动化，而且淬火硬化层深度通常较大(能达到数毫米量级)。但是缺点在于，表面硬度仅能提高2～5hrc，而且加热时表面需熔化，不但会破坏构件表面光洁度，而且会导致表面变形较大。
另一种常用的显著提高表面硬度的方法是高能束表面相变淬火。该方法通过高能量密度的高能束以非接触式方式快速辐照工件表面，淬火作用区的温度迅速上升达到材料奥氏体化温度，随后在极短时间内完成奥氏体相变，得到晶粒细化的奥氏体。由于此时工件内部仍处于低温状态，因而在淬火区与基体之间存在很高的温度梯度。一旦停止辐射，热量迅速向金属基体传导扩散，淬火区在瞬时加热后急冷(冷却速率达103～10k/s)作用下，通过马氏体相变得到尺寸非常细小的马氏体组织，并完成“自淬火”。相比于常规的感应加热淬火，高能束表面相变淬火能将表面硬度进一步提高15％～40％，耐磨性也明显提高，而且可以对具有精密复杂结构的零件表面实现局部选择性硬化，同时具有无需淬火介质、变形小、无污染等一系列工艺优势。但是由于必须控制在表面不熔化的情况下完成淬火，因而硬化层深度通常较浅(0.2～1.2mm)，而且大面积淬火时，加工效率低，扫描带之间有软带，硬度不连续。
综上所述，现有的表面强化技术仍无法满足工业界对金属构件的性能需求，这成为制约我国科技发展的一大瓶颈。因此，目前迫切需要开发一项更有效的新型表面处理工艺，在金属和合金构件表面能同时获得较深的硬化层和较高的硬度值，进而大幅提高构件耐磨性和疲劳寿命。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深层高硬度复合表面淬火强化方法，其将感应淬火与高能束表面相变淬火相复合应用于金属和合金构件的表面改性，实现深层高精度表面淬火强化处理。采用该方法处理的金属和合金构件表面能同时保证高的表面硬度、大的淬火层深度和优异的精度，进而大幅度提高其耐磨性和使用寿命，满足风电、矿山、冶金、船舶等领域对零件性能的苛刻要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种深层高硬度复合表面淬火强化方法，首先采用感应加热预淬火对金属和合金构件进行强化预处理，获得2～20mm级深度、7～10级晶粒度、45～62hrc平均硬度值的感应淬火硬化层，
然后，采用机加工对构件表面进行局部尺寸和精度校正处理或者在表面尺寸精度满足要求后，不进行局部尺寸和精度校正处理，
最后，在金属和合金构件表面进行高能束表面相变淬火，在表层0.1～2.5mm范围内进一步细化组织，制备获得晶粒度10～16级、硬度至62hrc以上的高能束淬火硬化层，
以此方式，获得深度大的感应淬火硬化层和硬度高的高能束淬火硬化层组成的复合硬化层，进而提高金属和合金构件整体的耐磨性、尺寸精度和疲劳寿命。
进一步的，其具体包括如下步骤：
s1：将金属和合金构件放入感应加热装置中进行加热，根据所需硬化层深度选择相应的感应淬火工艺参数，使材料表面达到奥氏体化温度以上，保温设定时间后随即喷射或浸泡淬火介质，以使金属或合金构件快速冷却，通过控制加热温度、加热时间、加热速率、冷却速率来获得所需深度和硬度值的硬化层，进而在构件表面形成深度达到2～20mm，晶粒度7～10级，平均硬度达到45～62hrc的感应淬火硬化层，
s2：判断金属和合金构件是否需要进行机加工，若构件在感应淬火过程中发生较大变形，则按照金属和合金构件表面装配精度和光洁度要求，进行机加工；若感应淬火后构件仍满足装配精度和光洁度要求，无需进行机加工；
(3)采用单个或若干个高能束辐射金属和合金构件表面，使各淬火区处温度达到奥氏体化温度以上，同时为保证构件表面精度，其淬火温度始终控制在材料熔点以下，不熔化构件表面，根据实际应用需要调整高能束表面相变淬火过程中的工艺参数，从而控制加热温度、加热时间、加热速率、冷却速率，通过高能束的多次重复辐射的累积热效应来获得相应的高能淬火硬化层深度，最终在构件表面形成晶粒度达10～16级、深度达到0.1～2.5mm，平均硬度超过62hrc的高能束淬火硬化层。
进一步的，根据实际应用需要，能任意调整高能束表面相变淬火过程中每个淬火单元的工艺参数和淬火次数，
在每个淬火单元的工艺参数和次数相同时，获得各淬火单元淬火深度一致的均匀型高能束淬火硬化层；
在渐进式控制各个淬火单元每次淬火的工艺参数，能获得沿构件深度方向呈梯度变化的梯度型高能束淬火硬化层；
根据构件不同部位的硬度要求，在控制各个淬火单元的工艺参数或次数不同时，能获得各淬火单元淬火深度不一致的凹凸型高能束淬火硬化层，
高能束表面相变淬火过程中能采用单个高能束对金属和合金构件表面同一部位进行多次淬火以提高高能束淬火硬化层深度，也可以采用多个高能束在不同部位同时进行淬火，以提高淬火效率；同一高能束在构件表面同一部位进行多次淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理；同一高能束在构件表面不同部位依次进行淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理；多个高能束在构件表面同一部位同时或者依次进行淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理；多个高能束在构件表面不同部位同时或者依次进行淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理；
高能束淬火硬化层和感应淬火硬化层的厚度、硬度值、尺寸精度和表面光洁度均可根据实际应用需要，通过调整感应淬火和高能束表面相变淬火的工艺参数进行控制。
进一步的，根据实际应用需要，在高能束淬火过程中能任意调整每个淬火单元之间的间距进行连续淬火，从而实现整个表层的连续式硬化；也能采用离散淬火的方式，通过控制单个淬火单元的形状、数量、尺寸、面积和分布等，形成不同图案、不同间距的离散式高能束淬火硬化层。
进一步的，感应淬火和高能束表面相变淬火过程中均能辅助施加磁场、电场、超声波、微波、红外辐射中的一种或者多种能量源，高能束选自激光束、电子束、离子束、等离子体以及电弧。
进一步的，步骤s1中，感应加热工艺为中频感应加热、高频感应加热、工频感应加热、电磁感应加热中的一种或者多种。
进一步的，所述金属和合金构件材料选自碳素钢、轴承钢、工模钢、合金钢。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.首次将感应淬火与高能束表面相变淬火相复合，能制备出由较大深度(2～20mm)、硬度值达45～62hrc的感应淬火硬化层与较小深度(0.1～2.5mm)、硬度值超过62hrc的高能束淬火硬化层组成的复合硬化层，并与内部基体致密冶金结合。高能束淬火硬化层、感应淬火硬度层和基体材料之间均为致密的冶金结合，不会发生硬化层脱落的现象。该复合硬化层能同时兼顾高硬度值、大硬化层深度和优异尺寸精度，进而展现更加出色的整体表面性能；
2.该复合淬火强化方法既可以获得连续式或离散式高能束淬火硬化层，又可以获得均匀型或梯度型或凹凸型高能束淬火硬化层，从而能满足多种实际工业应用场合的需要；
3.由于感应淬火处理后进行了必要的机加工处理，而高能束表面相变淬火处理时构件仅局部受热，且温度未达到熔点，产生的热影响区域很窄，对构件整体变形很小，因而获得的复合硬化层尺寸精度较高；处理获得的表面复合硬化层使金属和合金构件能满足工业应用对装配精度、使用寿命和运行可靠性的苛刻要求；
4.感应淬火和高能束表面相变淬火中工艺参数均可依据实际应用需求任意调节，整个过程工艺简单、灵活、无污染、无排放、易于实现柔性加工和自动化生产；能以较少的能源和材料获得比基体材料更高的性能，具有显著的节能节材效果；
5.本发明方法适用性广、扩展性强，可用于多种领域中的大型、中型或小型金属或合金构件的表面强化处理。
附图说明
图1是本发明中一种深层高硬度复合表面淬火强化方法的示意图；
图2是本发明中一种深层高硬度复合表面淬火强化方法获得梯度型淬火硬化层的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了解决现有表面淬火技术无法兼顾高硬度、大硬化层深度和优异尺寸精度的难题，本发明公开了一种深层高硬度复合表面淬火强化方法，其将感应淬火与高能束表面相变淬火相复合应用于金属和合金构件的表面改性，实现深层高精度表面淬火强化处理。采用该方法处理的金属和合金构件表面能同时保证高的表面硬度、大的淬火层深度和优异的精度，进而大幅度提高其耐磨性和使用寿命，满足风电、矿山、冶金、船舶等领域对零件性能的苛刻要求。
本发明首次将感应淬火与高能束表面相变淬火相结合并应用于金属和合金构件表面改性，实现其表面深层高硬度高精度淬火强化处理。其首先通过感应加热预淬火在零件表面获得深度达到2～20mm、晶粒度达7～10级、硬度值达到45～62hrc的感应淬火硬化层；然后通过机加工使零件达到表面所需装配精度和光洁度要求；最后采用高能束表面相变淬火在零件表面获得深度达到0.1～2.5mm、晶粒度达10～16级、硬度值超过62hrc的高能束淬火硬化层。本发明获得的复合硬化层由次表层的感应淬火硬化层和表层高能束淬火硬化层两部分组成，能提高金属和合金材料的表面耐磨性和疲劳寿命。
上述方法可以采用下面步骤具体实现：
(1)感应加热：将金属和合金构件放入感应加热装置中进行加热，根据所需硬化层深度选择相应的感应淬火工艺参数，使材料表面达到奥氏体化温度以上，保温一定时间后随即喷射或浸泡淬火介质使金属或合金构件快速冷却，通过控制加热温度、加热时间、加热速率、冷却速率等参数来获得所需深度和硬度值的硬化层。在构件表面形成深度达到2～20mm，晶粒度7～10级，平均硬度达到45～62hrc的感应淬火硬化层，如图1所示；
(2)若构件在感应淬火过程中发生较大变形，则按照金属和合金构件表面装配精度和光洁度要求，进行机加工；若感应淬火后构件仍满足装配精度和光洁度要求，此步骤可省略；
(3)高能束表面相变淬火：采用单个或若干个高能束辐射金属和合金构件表面，使各淬火区处温度达到奥氏体化温度以上，同时为保证构件表面精度，其淬火温度始终控制在熔点以下，不熔化构件表面。根据实际应用需要调整高能束表面相变淬火过程中的工艺参数，从而控制加热温度、加热时间、加热速率、冷却速率等，通过高能束的多次重复辐射的累积热效应来获得相应的高能淬火硬化层深度。最终在构件表面形成晶粒度达10～16级、深度达到0.1～2.5mm，平均硬度超过62hrc的高能束淬火硬化层，如图1所示。
其中，金属和合金构件材料可以为碳素钢、轴承钢、工模钢、合金钢或者其他金属和合金。感应加热工艺可以为中频感应加热、高频感应加热、工频感应加热、电磁感应加热和其他感应加热方式。
为了提高表面淬火效果，感应淬火和高能束表面相变淬火过程中均可辅助施加磁场、电场、超声波、微波、红外辐射等其他能量源；高能束可为激光束、电子束、离子束、等离子体、电弧，或者由这些高能束自由组合在一起的复合能束。
在实际工程实践中，通过调整高能束表面相变淬火过程中的工艺参数和淬火次数，根据实际应用需要，可以任意调整每个淬火单元之间的间距进行连续淬火，从而实现整个表层的连续式硬化；也可以采用离散淬火的方式，通过控制单个淬火单元的形状、数量、尺寸、面积和分布等，形成不同图案、不同间距的离散式高能束淬火硬化层。根据实际应用需要，还可以任意调整高能束表面相变淬火过程中每个淬火单元的工艺参数和淬火次数。若每个淬火单元的工艺参数和次数相同时，可获得各淬火单元淬火深度一致的均匀型高能束淬火硬化层；若渐进式控制各个淬火单元每次淬火的工艺参数，可获得沿构件深度方向梯度型高能束淬火硬化层；根据构件不同部位的硬度要求，若控制各个淬火单元的工艺参数或次数不同时，可获得各淬火单元淬火深度不一致的凹凸型高能束淬火硬化层；
高能束表面相变淬火过程中可以采用单个高能束对金属和合金构件表面同一部位进行多次淬火以提高高能束淬火硬化层深度；也可以采用多个高能束在不同部位同时进行淬火，以提高淬火效率。同一高能束在构件表面同一部位进行多次淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理。同一高能束在构件表面不同部位依次进行淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理。多个高能束在构件表面同一部位同时或者依次进行淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理。多个高能束在构件表面不同部位同时或者依次进行淬火时，可根据需要分别采用相同或者不同工艺参数进行淬火处理。
高能束淬火硬化层和感应淬火硬化层的厚度、硬度值、尺寸精度和表面光洁度均可根据实际应用需要，通过调整感应淬火和高能束表面相变淬火的工艺参数进行控制。
为了更详细的说明本发明方法，下面结合具体的实施例进一步详细说明。
实施例1：
gcr15钢主要用于制造主轴轴承、滚动轴承、滚珠、轴套和模具等。由于强腐蚀、高交变载荷、大温差、复杂受载情况等恶劣服役环境，其主要失效形式为接触疲劳损坏。因此，本实例选用gcr15钢进行表面深层高精度复合淬火强化。
本试验所选用材料为经过标准淬火+低温回火热处理后尺寸为φ300mm×80mm的gcr15钢试样，按照国家标准gb/t230.1-2009进行洛氏硬度试验，其硬度值为45～55hrc。对试样进行表面强化处理，具体工艺如下：
(1)中频感应淬火：将试样放入中频感应加热装置中以60转/分的速度旋转，感应器以加热功率为80kw，对试样进行加热使材料表面达到奥氏体化温度以上，均匀保温2min，然后感应器停止加热，随即喷射压力为20mpa、水温为20℃的冷却水使试样快速冷却，喷射时间80s。通过金相显微镜观察和洛氏硬度试验，测得此时在试样表面获得深度达到10mm，晶粒度7级，平均硬度达到55～62hrc的感应淬火硬化层；
(2)按照该零件表面装配精度和光洁度要求，进行机加工切削处理；
(3)激光表面淬火：采用四台激光器从四个不同角度对gcr15钢进行表面离散式淬火强化处理。四台激光器选用的输出功率为2000w，光斑直径为0.5mm，通过扫描振镜系统控制激光扫描速度为100mm/s。四束激光同时辐照试样表面的不同位置，每个位置激光辐照的次数为80次，每次激光辐照时间为100ms，辐照时间间隔为500ms。相邻淬火单元之间的间距为3mm，进而获得由阵列式淬火单元组成的离散式高能束淬火硬化层。每次激光辐照使各淬火单元区域处温度达到奥氏体化温度以上，熔点以下。通过金相显微镜观察和洛氏硬度试验，测得此时在试样表面激光处理后的淬火单元的晶粒度达15级、深度达到1.2mm、平均硬度达到68hrc；而未进行激光淬火处理后的区域仍保持晶粒度7～10级，平均硬度55～62hrc。即此时获得了离散式高能束淬火硬化层。
采用本发明方法处理后的试样表面的复合硬化层由深度10mm、晶粒度7级、平均硬度达55～62hrc的感应淬火硬化层和深度1.2mm、晶粒度15级、平均硬度达到68hrc的离散式高能束淬火硬化层组成。其疲劳寿命试验值是传统感应淬火或高能束淬火表面处理试样的几乎5倍，是未作任何表面处理试样的约10倍。
实施例2：
45#钢是制造重型卡车支重轮、汽车半轴、曲轴、凸轮轴以及机床齿轮等重要核心零件的常用材料。这些构件承受复杂重载力作用，而且服役环境恶劣，因此磨损和疲劳断裂是其主要失效形式。因此，本实例选用45#钢进行表面深层高精度复合淬火强化。
本试验所用材料为经标准调质处理后尺寸为φ200mm×100mm的45#碳素钢试样。按照国家标准gb/t230.1-2009进行洛氏硬度试验，硬度为30～45hrc。对试样进表面强化处理，具体工艺如下：
(1)电磁感应淬火：将试样放入电磁感应加热装置中以100转/分的速度旋转，电源频率为100khz，加热时间为5min，使材料表面达到奥氏体化温度以上，然后感应器加热停止，随即喷射冷却水使试样快速冷却，喷射时间为60s。其中冷却水水压为2mpa，水温为20℃。此时在试样表面获得深度达到8mm，晶粒度8级，平均硬度达到45～55hrc之间的感应淬火硬化层；
(2)按照该试样表面装配精度和光洁度要求，进行机加工切削处理；
(3)电子束淬火：在真空度为10-2pa的真空室中80kv的加速电压下，采用电子束淬火装置对表层进行连续淬火处理。电子束功率为5kw，电子束光斑直径为6mm，束流电流100ma，移动速度为20mm/s。每个淬火单元的辐照次数为120次，每次辐照时间为80ms，辐照时间间隔为200ms。相邻淬火单元之间的间距为5mm，从而使每个淬火单元之间完全冶金结合。每次辐照使各淬火区处温度达到奥氏体化温度以上，熔点以下。进而在试样表面获得深度达到0.8mm、晶粒度达16级、平均硬度超过62hrc的连续式高能束淬火硬化层。
采用本发明方法处理后的试样表面的复合硬化层由深度8mm、晶粒度8级、平均硬度达45～55hrc的感应淬火硬化层和深度达到0.8mm、晶粒度达16级、平均硬度超过62hrc的连续式高能束淬火硬化层组成。其疲劳寿命试验值是传统感应淬火或高能束淬火表面处理试样的几乎3倍，是未采用任何表面处理试样的约6倍。
实施例3：
42crmo钢通常用于制造强度要求高、断面尺寸较大的构件。这些构件的主要失效形式是疲劳断裂。因此，本实例选用42crmo钢进行表面深层高精度复合淬火强化。
本试验所用材料为经标准调质处理后尺寸为200mm×200mm×100mm的42crmo钢试样。按照国家标准gb/t230.1-2009进行洛氏硬度试验，硬度为40～50hrc。对试样进表面强化处理，具体工艺如下：
(1)中频感应淬火：将试样放入中频感应加热装置中以120转/分的速度旋转，感应器以加热功率为150kw，对试样进行加热使材料表面达到奥氏体化温度以上，均匀保温10min，然后感应器加热停止，随即喷射压力为2mpa、水温为2℃的冷却水使试样快速冷却，喷射时间80s。通过金相显微镜观察和洛氏硬度试验，测得此时在试样表面获得深度达到20mm，晶粒度8级，平均硬度达到50～60hrc之间的感应淬火硬化层，如图2所示；
(2)等离子体淬火：采用等离子束表面强化装置对试样表面进行连续淬火处理。等离子头喷嘴孔径为5mm、等离子头相对试样表面运动速度为50mm/s，气体流量为200l/h，等离子头与构件表面距离为3mm，相邻淬火单元的间距为0.5mm。①首先，采用电压为100v，电流为100a的等离子束在每个淬火单元辐照的100次，每次辐照时间为80ms，辐照时间间隔为200ms。②其次，采用电压为80v，电流为80a的等离子束在每个淬火单元辐照的80次，每次辐照时间为80ms，辐照时间间隔为200ms。③最后，采用电压为50v，电流为50a的等离子束在每个淬火单元辐照的50次，每次辐照时间为80ms，辐照时间间隔为200ms。每次辐照使各淬火区处温度达到奥氏体化温度以上，熔点以下。进而在试样表面获得深度达到1.0mm，从次表层向表层晶粒度由8增加到16级、平均硬度由62hrc增加到65hrc的梯度型高能束淬火硬化层，如图2所示。
采用本发明方法处理后的试样表面的复合硬化层由深度20mm、晶粒度8级、平均硬度达50～60hrc的感应淬火硬化层和深度达到1.0mm，从次表层向表层晶粒度由8增加到16级、平均硬度由62hrc增加到65hrc的梯度型高能束淬火硬化层组成。其疲劳寿命试验值是传统感应淬火或高能束淬火表面处理试样的几乎5.5倍，是未采取任何表面处理试样的约8倍。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。