一种低碳钢激光表面渗碳方法与流程

1.本发明涉及低碳钢的热处理强化技术领域，尤其是涉及一种低碳钢激光表面渗碳方法。


背景技术：

2.低碳钢由于其含碳量较低，在淬火后无法获得高强高硬的马氏体组织，一般需要进行渗碳处理。常规渗碳处理由于其保温时间长，冷却速度慢，易产生粗大的马氏体组织和碳化物相，对零件的韧性和疲劳强度极为不利。
3.激光表面渗碳技术是利用能量密度的激光束快速扫描金属零件，使其表面温度以极快的速度上升至奥氏体相变温度以上、熔点以下，碳元素快速扩散进入金属零件表层，当激光束离开表面时，金属零件基体与表面进行迅速的换热，从而实现表面金属奥氏体组织转变成马氏体。激光表面渗碳技术能大大细化马氏体和碳化物，提高韧性和疲劳性能。
4.然而如果采用传统的直接铺粉或物理沉积方式进行预置碳粉，很容易出现碳粉与基材结合不牢，碳粉层中孔洞较多，碳粉间隙残留氧气、水分等，从而影响整个激光表面渗碳过程。特别是对于活性高的纳米级碳粉，容易团聚和粘结，更是铺粉困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的，即在于采用激光表面渗碳的强化方法，对低碳钢进行表面处理，通过预置碳粉的方式进行渗碳。
6.本发明的技术方案具体为，一种低碳钢激光表面渗碳方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制备液态石蜡与碳粉的胶体混合物，所述碳粉含量为65-70%；2）在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为2.5-3mm；3）在氧含量为1ppm以下的气氛环境中对低碳钢表面进行激光扫描以进行渗碳处理。
7.进一步优选的，所述制备液态石蜡与碳粉的胶体混合物具体为，将固体石蜡置于容器中，在70-90℃的水浴中加热；待石蜡完全熔化后，少量多次地向烧瓶中加入碳粉，并不断进行混合搅拌；待碳粉全部加入后，继续搅拌5-15分钟，形成完全分散的胶体混合物。
8.进一步优选的，所述在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜具体为，首先，对待涂碳的表面进行清洁处理，所述清洁处理方法如下：利用化学除油剂除去表面油污
→
热水清洗
→
流水清洗
→
无水乙醇清洗
→
烘干；将制备好的胶体混合物倒在待涂碳的表面，在空气自然冷却、凝固；利用小刀刮去多余的部分，获得2.5-3mm厚度的石蜡与碳粉复合薄膜。
9.进一步优选的，所述气氛环境为惰性气体保护的环境，通过在渗碳处理前通入惰性保护气体或通入甲烷与惰性保护气体的混合气体实现。
10.进一步优选的，渗碳处理时，将待处理低碳钢置入冷却液中。
11.进一步优选的，激光的单位面积有效能量e通过如下公式进行控制，
，式中，p为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径。
12.进一步优选的，含碳量通过如下公式进行控制，]，式中，w'为表面碳含量，w0为渗碳前原始碳含量，d为渗碳层厚度，w为根据公式计算出的距离表面h处的碳含量。进一步优选的，所述对低碳钢表面进行激光扫描的次数为3-4次。
13.与现有技术相比，本发明利用激光表面渗碳技术对低碳钢进行渗碳处理，能够提高零件的表面硬度和疲劳性能，而本发明采用特殊的涂碳方式，高效化预置碳粉，同时实现了碳粉、石蜡的回收利用。因此，可为低碳钢金属零件的表面强化提供一种简洁、高效、绿色、环保的新型处理方法，延长金属零件的使用寿命。
附图说明
14.图1a为本发明石蜡与碳粉的胶体混合物制备时添加碳粉前的水浴加热示意图。
15.图1b为本发明石蜡与碳粉的胶体混合物制备时添加碳粉并搅拌混合的示意图。
16.图1c为本发明石蜡与碳粉的胶体混合物制备时碳粉添加完后继续混合搅拌至形成混合物的示意图。
17.图2a为本发明在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜时将胶体混合物倒在金属零件表面的示意图。
18.图2b为本发明在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜时胶体混合物冷却凝固的示意图。
19.图2c为本发明在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜时胶体混合物完全凝固后利用小刀刮去多余的部分的示意图。
20.图2d为本发明在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜时最终获得给定厚度的石蜡与碳粉复合薄膜的示意图。
21.图3为本发明渗碳处理的示意图。
22.图4为本发明实施例渗碳处理后的低碳钢宏观形貌图。
具体实施方式
23.以下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描述。
24.具体的，本发明的低碳钢激光表面渗碳方法主要包含以下几个步骤：1.液态石蜡与碳粉的胶体混合物的制备此步骤中，石蜡与碳粉的配比为胶体混合物制备的关键，若碳粉含量过高，则易团聚，无法均匀的分散在液态石蜡中；若碳粉的含量过低，则导致石蜡与碳粉混合薄膜中含碳量不够，无法达到理想的渗碳效果，优选碳粉含量为65%-70%时，能获得理想的胶体混合物。
25.液态石蜡与碳粉的胶体混合物制备过程具体如图1a-图1c所示。首先，将固体石蜡置于烧瓶中，在80℃的水浴中加热（如图1a）。石蜡完全熔化后，向烧瓶中加入碳粉。碳粉需
少量多次加入，而且需使用搅拌器不断搅拌混合物，防止碳粉团聚（如图1b）。碳粉全部加入后，继续搅拌10分钟，形成完全分散的液态石蜡+碳粉胶体混合物（如图1c）。
26.2.石蜡与碳粉复合薄膜的制备石蜡与碳粉复合薄膜的制备流程如图2a-图2d所示。首先，待涂碳的低碳钢金属零件表面进行清洁处理，清洁处理的方法如下：利用化学除油剂除去表面油污
→
热水清洗
→
流水清洗
→
无水乙醇清洗
→
烘干。将制备好的液态石蜡与碳粉的胶体混合物倒在金属零件表面（图2a所示），在空气自然冷却、凝固（图2b所示）。石蜡与碳粉的胶体混合物完全凝固后，利用小刀刮去多余的部分（图2c所示），获得给定厚度的石蜡与碳粉复合薄膜（图2d所示）。石蜡与碳粉复合薄膜厚度一般为2.5~3mm，厚度太小时，渗碳量不够，厚度太大时，薄膜上部的石蜡与碳粉中的碳元素将无法有效进入零件表层，造成浪费。小刀刮去的石蜡与碳粉的混合物，可回收后继续作为原料制备液态石蜡+碳粉胶体。
27.3.激光表面渗碳处理激光表面渗碳处理如图3所示，整个过程在惰性气氛成形腔4中进行。激光表面渗碳前，惰性气氛成形腔4中充入惰性气体进行保护，或通入含甲烷的惰性气体辅助渗碳。氧气会导致脱碳，必须严格控制其含量，保证氧含量在1ppm以下。将表面涂有石蜡与碳粉复合薄膜3的金属零件2放置在工作台1上，并可置于冷却液体6（如水）中，这样可以进一步加快冷却速度，避免粗大的马氏体组织和碳化物的产生，可提高金属零件2的疲劳强度，特别优选如图3所示冷却液体保持流动。
28.本发明的激光5进行扫描渗碳处理时，主要调控两个工艺参数：单位面积能量输入、扫描次数。其中，单位面积能量输入e有如下公式进行控制：式中，p为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径，单位面积能量输入过小，则无法达到足够高的温度，无法达到预期渗碳效果；单位面积能量输入过大，则导致金属零件熔化，将破坏零件。单位面积能量输入一般为35~40j
·
mm-2
。同时，应尽量选择大的扫描速度，使金属零件表面瞬时加热到高温，然后快速冷却，获得更细小的组织。
29.扫描次数将影响渗碳层厚度和渗碳后的碳含量。随扫描次数增加，渗碳层厚度增加，扫描3次后，渗碳层厚度基本不再增加，最大为0.7-0.75mm。随扫描次数增加，金属零件表面含碳量增加，扫描3次后，金属零件表面含碳量达到0.6%~0.67%，扫描4次后，金属零件表面含碳量为0.75%~0.8%，碳含量大于0.8%后，金属零件表面的马氏体组织将具有较大的脆性，影响金属零件的疲劳强度。因此，扫描次数为3~4次为宜。距表面距离越大，含碳量越低，含碳量w和距表面距离h有如下的经验公式：]式中，w'为表面碳含量，w0为渗碳前原始碳含量，d为渗碳层厚度，w为根据公式计算出的距离表面h处的碳含量，如此，可以通过实时监测表面碳含量w'来计算估计距离表面h深度处的碳含量w，从而判断是否满足渗碳要求。
30.4.后处理采用表面轮廓测量仪测量金属零件表面粗糙度，采用表面渗透性检验等方法检验
表面缺陷。如果表面粗糙度符合制造要求，且没有裂纹等缺陷，则可交付使用。
31.本发明中具体的实施例参数设置如下：对齿轮轴用钢18crmnti进行激光表面渗碳处理，激光功率选择4000w，扫描速度选择1.2mm/s，光斑直径选择10mm，石蜡与碳粉复合薄膜厚度为2.5mm，扫描次数为4次。
32.在通入惰性气体保护氛围下，激光表面渗碳处理后，获得了0.725mm厚的渗碳层，表面硬度达到800hv左右，相比未处理试样（300hv）提高1.6倍以上。经测试，表面碳含量为0.77%，表面粗糙度为ra1.2，符合齿轮轴制造要求。渗碳层宏观形貌图如图4所示。
33.综上所述，本发明利用激光表面渗碳技术对低碳钢进行渗碳处理，能够提高零件的表面硬度和疲劳性能。本发明采用特殊的涂碳方式，高效化预置碳粉，同时实现了碳粉、石蜡的回收利用。因此，可为低碳钢金属零件的表面强化提供一种简洁、高效、绿色、环保的新型处理方法，延长金属零件的使用寿命。
34.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种低碳钢激光表面渗碳方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制备液态石蜡与碳粉的胶体混合物，所述碳粉含量为65-70%；2）在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为2.5-3mm；3）在氧含量为1ppm以下的气氛环境中对低碳钢表面进行激光扫描以进行渗碳处理。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备液态石蜡与碳粉的胶体混合物具体为，将固体石蜡置于容器中，在70-90℃的水浴中加热；待石蜡完全熔化后，少量多次地向烧瓶中加入碳粉，并不断进行混合搅拌；待碳粉全部加入后，继续搅拌5-15分钟，形成完全分散的胶体混合物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜具体为，首先，对待涂碳的表面进行清洁处理，所述清洁处理方法如下：利用化学除油剂除去表面油污
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热水清洗
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流水清洗
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无水乙醇清洗
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烘干；将制备好的胶体混合物倒在待涂碳的表面，在空气自然冷却、凝固；利用小刀刮去多余的部分，获得2.5-3mm厚度的石蜡与碳粉复合薄膜。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气氛环境为惰性气体保护的环境，通过在渗碳处理前通入惰性保护气体或通入甲烷与惰性保护气体的混合气体实现。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，渗碳处理时，将待处理低碳钢置入冷却液中。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激光的单位面积有效能量e通过如下公式进行控制，，式中，p为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，含碳量通过如下公式进行控制，]，式中，w'为表面碳含量，w0为渗碳前原始碳含量，d为渗碳层厚度，w为根据公式计算出的距离表面h处的碳含量。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对低碳钢表面进行激光扫描的次数为3-4次。

技术总结
本发明公开了一种低碳钢激光表面渗碳方法，其包括以下步骤：1）制备液态石蜡与碳粉的胶体混合物，所述碳粉含量为65-70%；2）在待涂碳的表面制备石蜡与碳粉复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为2.5-3mm；3）在氧含量为1ppm以下的气氛环境中对低碳钢表面进行激光扫描以进行渗碳处理。本发明利用激光表面渗碳技术对低碳钢进行渗碳处理，能够提高零件的表面硬度和疲劳性能。本发明采用特殊的涂碳方式，高效化预置碳粉，同时实现了碳粉、石蜡的回收利用。因此，可为低碳钢金属零件的表面强化提供一种简洁、高效、绿色、环保的新型处理方法，延长金属零件的使用寿命。零件的使用寿命。零件的使用寿命。


技术研发人员：ꢀ(51)Int.Cl.C23C8/66
受保护的技术使用者：北京煜鼎增材制造研究院有限公司
技术研发日：2022.02.07
技术公布日：2022/3/8