PDF《激光冲击催渗快速离子渗氮技术》

? doi:?10.

11933/j.issn.1007?9289.20180626001 激光冲击催渗快速离子渗氮技术 唐????磊1 ,贾蔚菊2 ,孙????斐3 ,胡????静1 (1.?常州大学?江苏省材料表面科学与技术重点实验室,常州?213164;

2.?西北有色金属研究院,西安?710016;

3.?常州轻工职 业技术学院?机械工程系,常州?213164) 摘要: 采用常用 42CrMo 钢为研究材料,探索激光冲击预处理对离子渗氮的催渗效果与作用机理,提升离子渗氮效 率.采用光学显微镜、粗糙度仪、扫描电镜、维氏显微硬度计研究激光冲击及离子渗氮后表层特性.结果表明,激光 冲击对于离子渗氮具有显著的催渗效果.相同离子渗氮条件下,化合物层厚度和有效扩散层厚度都提高到传统离子 渗氮的

2 倍左右.同时激光冲击预处理可显著提高试样表面硬度,并平缓截面硬度的下降趋势.激光冲击预处理对离 子渗氮产生的显著作用源于:激光冲击预处理使试样表面粗糙度从 0.015?μm 提高到 0.454?μm,有利于 N 原子吸附和氮 化物形成;

表层形成了厚度约 200?μm 的变形层,为N原子提供扩散通道,有利于提高扩散层氮浓度. 关键词: 激光冲击;

离子渗氮;

预处理;

渗氮效率 中图分类号:?TG156.82 文献标志码:?A 文章编号:?1007?9289(2018)06C0009C05 Rapid Plasma Nitriding Technology Catalyzed by Laser Shock Peening TANG?Lei1 ,?JIA?Weiju2 ,?SUN?Fei3 ,?HU?Jing1 (1.?Jiangsu?Key?Laboratory?of?Materials?Surface?Science?and?Technology,?Changzhou?University,?Changzhou?213164,?China;

2.?Northwest?Institute?for?Non-ferrous?Metal?Research,?Xi'

an?710016,?China;

?3.?Department?of?Mechanical?Engineering, Changzhou?Institute?of?Light?Industry?Technology,?Changzhou?213164,?China) Abstract: 42CrMo?steel?was?used?in?this?research,?and?the?effect?and?mechanism?of?laser?shock?peening?(LSP)?pretreatment?on plasma?nitriding?were?primarily?investigated.?The?aim?was?to?obtain?a?novel?rapid?plasma?nitriding?technology.?Optical microscope,?surface?roughness?tester,?scanning?electron?microscope?and?Vickers?micro-hardness?tester?were?used?to?observe and?evaluate?the?surface?characteristics.?Results?show?that?laser?shock?peening?has?obvious?catalysis?effect?on?plasma?nitriding. The?thickness?of?the?compound?layer?and?effective?diffusion?layer?can?be?effectively?enhanced?by?laser?shock?peening?under the?same?plasma?nitriding?condition,?which?is?about?twice?thicker?than?that?of?the?conventional?plasma?nitriding.?Meanwhile, LSP?pretreatment?can?significantly?improve?the?surface?hardness?and?slow?down?the?decreasing?trend?of?cross-sectional hardness.?The?significant?effect?of?LSP?pretreatment?on?plasma?nitriding?is?that?LSP?pretreatment?increases?the?surface roughness?of?the?sample?from?0.015?to?0.454?μm,?which?is?beneficial?to?the?adsorption?of?N?atoms?and?the?formation?of nitrogen?compounds.?Additionally,?a?deformation?layer?(about?200?μm)?was?formed?by?LSP?pretreatment?on?the?surface, providing?a?diffusion?channel?for?N?atoms,?which?is?beneficial?to?the?increase?of?nitrogen?concentration?in?the?diffusion?layer. Keywords: laser?shock?peening;

?plasma?nitriding?(PN);

?pre-treatment;

?nitriding?efficiency ? ? ? 收稿日期:2018-06-26;

修回日期:2018-10-13 网络出版日期:2018-11-30?11:01;

?网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3905.TG.20181130.1101.004.html 通信作者:胡静 (1966―),女 (汉),教授,博士;

研究方向:金属材料表面改性;

E-mail:[email protected] 基金项目:国家自然科学基金 (51774052);

江苏省第三期优势学科建设项目 (PAPD-3);

江苏高校品牌专业建设工程资助 (TAPP) Fund:Supported?by?National?Natural?Science?Foundation?of?China?(51774052),?Priority?Academic?Program?Development?of?Jiangsu?Higher Education?Institutions?(PAPD-3)?and?Top-notch?Academic?Programs?Project?of?Jiangsu?Higher?Education?Institutions?(TAPP) 引用格式:唐磊,?贾蔚菊,?孙斐,?等.?激光冲击催渗快速离子渗氮技术[J].?中国表面工程,?2018,?31(6):?9-13. TANG?L,?JIA?W?J,?SUN?F,?et?al.?Rapid?plasma?nitriding?technology?catalyzed?by?laser?shock?peening[J].?China?Surface?Engineering,?2018, 31(6):?9-13. ? 第?31?卷??第?6?期中??国??表??面??工??程Vol.?31 No.?6 2018?年?12?月CHINA?SURFACE?ENGINEERING December

2018 0 引言离子渗氮 (plasma?nitriding,?PN) 是一种应用较 为广泛的表面改性技术,能够显著提高金属零部 件的耐磨性和服役寿命,具有渗氮温度较低、渗 层均匀、绿色环保等诸多优点[1-2] ,但渗速低和工 艺周期长是制约该技术广泛应用的瓶颈,需要探 索和改进相关技术来提高离子渗氮效率.近年 来,将喷丸 (喷砂) 与离子渗氮进行复合的表面处 理技术得到了快速发展.工件经过喷丸 (喷砂) 处 理后,表层产生的晶格畸变有利于促进随后离子 渗氮中 N 原子的吸附与扩散,从而有效提高了离 子渗氮效率[3-5] . 激光冲击强化 (Laser?shock?peening,LSP) 是通 过强激光诱导的冲击波在金属表层产生塑性变形, 使表层位错密度增加,从而产生残余压应力,提 高工件的硬度和抗疲劳性的新型表面强化技术. 与喷丸、超声冲击等表面强化技术相比,激光冲 击强化能量大、作用时间短、应变率高,其超高 应变率带来的强化效果使表层位错、亚晶界等微 观缺陷更多、微变形层更深;

其次,激光冲击强 化不与材料直接接触,可避免表面损伤,因此表 面完整性更好;

同时,激光冲击强化可控性更 强,通过精准控制激光冲击位置和工艺参数,能 够处理其它方法难以强化的复杂部件/部位[6-9] . 结合已开展的研究,课题组认为,激光冲击 处理产生的微结构变化可能十分有利于后续离子 渗氮中 N 原子的吸附与扩散,从而达到显著提高 离子渗氮效率、缩短工艺周期的效果.为此,文 中研究采用激光冲击作为预处理,探索其对离子 渗氮效率及相关性能的影响,旨在获得效率显著 提升的高效快速离子渗氮新技术.

1 材料与方法 试验材料为调质态 42CrMo 钢,其化学成分 (质量分数) 为:0.38%~0.43%?C,0.15%~0.35%Si, 0.15%~0.25%?Mo,0.75%~1.0%?Mn,0.8%~1.01% Cr,其余为 Fe;

基体硬度为 320?HV0.05.原材料 经线切割加工成尺寸为 5?mm*10?mm*10?mm 的方 形试样,然后采用 180~2000 号的砂纸逐步进行打 磨,再经超声波清洗 15?min 后吹干待用. 激光冲击试验在 Nd:YAG 高功率激光冲击 强化装置上完成,该装置由激光器、六关节机械 臂和电脑操作平台构成.具体试验参数为:激光波 长1064?nm,激光能量 5?J,脉冲宽度 15?ns,光斑 直径 3?mm,以流动水介质为约束层,以0.1?mm 厚碳黑胶带为吸收层,光斑搭接率为 50%.图1为激光冲击原理及路径示意图. 将试样放置在 LD-8CL 型直流等离子体渗氮 炉内,进行离子渗氮,主要分如下

2 步:首先通 入氢气,对试样表面进行溅射加热和清洁处理;

达到设定温度后进行离子渗氮,之后随炉冷却. 文中研究选择的离子渗氮工艺参数与课题组之前 报道的一致,为500?℃,4?h[10] . 采用 DMI-3000M 型光学显微镜观察试样渗层 的组织形貌;

TIME?3200 手持式粗糙度仪对激光 冲击处理前后的试样分别进行了表面粗糙度测 量,........