本發(fā)明屬于金屬材料表面熱處理技術領域，具體涉及一種滲納米鉆石烯的新型金屬表面熱處理方法。

背景技術：

磨損是金屬材料失效的主要形式之一，有接觸和相對運動的地方就會有磨損，長時間的磨損會造成零部件的失效，輕則需要更換零件，重則造成設備損壞甚至人員傷亡，如何減磨是一個永恒的研究課題。因為磨損一般發(fā)生在材料表面，所以如何提高材料表面的耐磨性是減磨的一個重要途徑。

現(xiàn)階段材料表面處理方法有：涂覆、鍍覆和熱處理等，其中熱處理是提高金屬材料耐磨性的一個主要方法，其原理是通過改變材料的組織結構以改善性能。化學熱處理是機械制造業(yè)較為成熟、運用較多的處理方法，包括滲碳、滲氮、滲稀土元素以及多種元素共滲等，這些普通化學熱處理都是通過化學反應析出活性原子，活性原子再通過溶解或化學反應擴散到金屬內(nèi)部，最終形成滲透層，達到表面強化的目的。

這些處理方法存在一些缺點，比如處理工藝復雜，設備要求較高，有些還有毒有害；滲透速度慢，滲透層淺，一般只有幾十到幾百微米；并且滲層界面結合力小，容易脫落，不便進行機加工等。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種滲納米鉆石烯的新型金屬表面熱處理方法。

基于上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案：一種滲納米鉆石烯的新型金屬表面熱處理方法，包括以下步驟：

1）使待熱處理的金屬部件的外表面均包裹一層3～5mm厚的納米鉆石烯；

2）對體系抽真空，導入還原性保護氣體，重復2～3次，目的是以盡量減少氧化性氣體的存在；

3）升溫至奧氏體轉變溫度以上0～150℃，并保溫1～20h，然后隨爐冷卻至室溫；

4）取出金屬部件經(jīng)淬火和低溫回火即可。步驟1）中為保證熱處理的金屬部件的外表面均包裹一層3～5mm厚的納米鉆石烯，同時又能保證處理多個金屬部件，本發(fā)明優(yōu)選采用的方法為：首先，需要一個能夠密閉的干凈的容器，在容器底部鋪上3～5mm厚的納米鉆石烯，然后放入金屬部件，接著再鋪一層納米鉆石烯再放金屬部件，直到裝滿整個容器為止。

所述納米鉆石烯須經(jīng)以下處理：將粒度分別為50nm、100nm和200nm的納米鉆石烯按重量比(1～2)：(2～3)：(4～5)混合，對得到的依次進行超聲波堿洗、超聲波清洗、酸洗活化及超聲波水洗及烘干處理，具體步驟為：

a)超聲波堿洗：將混合料放入裝有堿液的超聲波清洗機中，超聲波頻率控制在28～32KHz左右，堿液為質量分數(shù)為10%～12%的NaOH溶液，堿液溫度為50℃～60℃，攪拌速度為25～30rpm，清洗時間為25～30min；

b)超聲波清洗：超聲波頻率均為30KHz，清洗液為去離子水，攪拌速度為25～30rpm，攪拌時間為25～30min，取上層清液測量pH值，反復清洗直至pH=7；

c)酸洗活化：酸洗液為濃度為25%～30%的硫酸溶液，酸洗溫度為50～60℃，攪拌速度以20～25rpm，攪拌時間控制在20～30min，以達到將原料表面活化的目的；

d)超聲波水洗：將步驟c）的混合料加入去離子水中超聲并攪拌，超聲波頻率為30～45KHz，攪拌速度為20～25rpm，攪拌時間在8～10min，取上層清液測量pH值，反復清洗直至pH=7；超聲波水洗為常溫；

e)烘干：以2～3℃/min的速率逐步升溫到180～200℃，保溫3～5h后隨爐溫冷卻，之后密封備用，烘干的目的是去除原料中的水分以便儲存和后續(xù)工序的進行。

熱處理前，金屬部件須依次經(jīng)噴砂處理和化學清洗處理，噴砂處理的步驟為：利用噴砂機對金屬部件的表面進行清理至露出光潔的表面；化學清洗的步驟為：采用無水乙醇或丙酮清洗金屬部件的表面3～5次，除去金屬表面的油污和粉塵，自然晾干。

淬火溫度為奧氏體轉變溫度以上0～50℃，低溫回火溫度為150～250℃。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1、采用本發(fā)明獲得的滲納米磚石烯的金屬材料淬硬性高，比普通滲碳處理要高出10%左右，耐磨性可達普通滲碳件的5倍以上；

2、滲透層深，厚度可達40mm以上，滲透速度快，平均可達1.5mm/h左右；

3、滲透層呈梯度變化，無明顯界面，結合力高，不易脫落，方便后續(xù)精加工；

4、工藝簡單可行、應用范圍廣、環(huán)保無污染。

附圖說明

圖1是滲層深度隨時間的變化關系；

圖2是材料硬度隨滲層深度的變化關系；

圖3是摩察系數(shù)隨磨損時間的變化關系；

圖4是磨痕寬度隨磨損時間的變化關系。

具體實施方式

以下將通過實施例具體說明本發(fā)明，但這些具體實施方案不以任何方式限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

一種滲納米鉆石烯的新型金屬表面熱處理方法，包括以下步驟：

1）使待熱處理的金屬部件的外表面均包裹一層4mm厚的納米鉆石烯；首先，需要一個能夠密閉的干凈的容器，在容器底部鋪上4mm厚的納米鉆石烯，然后放入金屬零部件，接著再鋪一層納米鉆石烯再放零件，直到裝滿整個容器為止。

2）對體系抽真空，導入還原性保護氣體，重復3次，目的是以盡量減少氧化性氣體的存在；

3）升溫至奧氏體轉變溫度以上100℃，并保溫10h，然后隨爐冷卻至室溫；

4）取出金屬部件經(jīng)淬火和低溫回火即可，淬火溫度為奧氏體轉變溫度，低溫回火溫度為150℃。

所述納米鉆石烯須經(jīng)以下處理：將粒度分別為50nm、100nm和200nm的納米鉆石烯按重量比1：2：4混合，對得到的依次進行超聲波堿洗、超聲波清洗、酸洗活化及超聲波水洗及烘干處理，具體步驟為：

a)超聲波堿洗：將混合料放入裝有堿液的超聲波清洗機中，超聲波頻率控制在28KHz，堿液為10%的NaOH溶液，堿液溫度為50℃，攪拌速度為25rpm，清洗時間為30min；

b)超聲波清洗：超聲波頻率均為30KHz，清洗液為去離子水，攪拌速度為25rpm，攪拌時間為30min，取上層清液測量pH值，反復清洗直至pH=7；

c)酸洗活化：酸洗液為濃度為25%的硫酸溶液，酸洗溫度為50℃，攪拌速度以20rpm，攪拌時間控制在20min，以達到將原料表面活化的目的；

d)超聲波水洗：常溫清洗，將步驟c）的混合料加入去離子水中超聲并攪拌，超聲波頻率為30KHz，攪拌速度為20rpm，攪拌時間在8min，取上層清液測量pH值，反復清洗直至pH=7；

e)烘干：以3℃/min的速率逐步升溫到180℃，保溫3h后隨爐溫冷卻，之后密封備用，烘干的目的是去除原料中的水分以便儲存和后續(xù)工序的進行。

熱處理前，金屬部件須依次經(jīng)噴砂處理和化學清洗處理，噴砂處理的步驟為：利用噴砂機對金屬部件的表面進行清理至露出光潔的表面；化學清洗的步驟為：采用無水乙醇或丙酮清洗金屬部件的表面3次，除去金屬表面的油污和粉塵，自然晾干。

實施例2

一種滲納米鉆石烯的新型金屬表面熱處理方法，包括以下步驟：

1）使待熱處理的金屬部件的外表面均包裹一層5mm厚的納米鉆石烯；首先，需要一個能夠密閉的干凈的容器，在容器底部鋪上5mm厚的納米鉆石烯，然后放入金屬零部件，接著再鋪一層納米鉆石烯再放零件，直到裝滿整個容器為止。

2）對體系抽真空，導入還原性保護氣體，重復3次，目的是以盡量減少氧化性氣體的存在；

3）升溫至奧氏體轉變溫度以上150℃，并保溫1～20h，然后隨爐冷卻至室溫；

4）取出金屬部件經(jīng)淬火和低溫回火即可，淬火溫度為奧氏體轉變溫度以上50℃，低溫回火溫度為250℃。

所述納米鉆石烯須經(jīng)以下處理：將粒度分別為50nm、100nm和200nm的納米鉆石烯按重量比2：3：5混合，對得到的依次進行超聲波堿洗、超聲波清洗、酸洗活化及超聲波水洗及烘干處理，具體步驟為：

a)超聲波堿洗：將混合料放入裝有堿液的超聲波清洗機中，超聲波頻率控制在32KHz，堿液為12%的NaOH溶液，堿液溫度為60℃，攪拌速度為30rpm，清洗時間為25min；

b)超聲波清洗：超聲波頻率均為30KHz，清洗液為去離子水，攪拌速度為30rpm，攪拌時間為30min，取上層清液測量pH值，反復清洗直至pH=7；

c)酸洗活化：酸洗液為濃度為30%的硫酸溶液，酸洗溫度為60℃，攪拌速度以25rpm，攪拌時間控制在30min，以達到將原料表面活化的目的；

d)超聲波水洗：常溫清洗，將步驟c）的混合料加入去離子水中超聲并攪拌，超聲波頻率為45KHz，攪拌速度為25rpm，攪拌時間在10min，取上層清液測量pH值，反復清洗直至pH=7；

e)烘干：以2℃/min的速率逐步升溫到200℃，保溫5h后隨爐溫冷卻，之后密封備用，烘干的目的是去除原料中的水分以便儲存和后續(xù)工序的進行。

熱處理前，金屬部件須依次經(jīng)噴砂處理和化學清洗處理，噴砂處理的步驟為：利用噴砂機對金屬部件的表面進行清理至露出光潔的表面；化學清洗的步驟為：采用無水乙醇或丙酮清洗金屬部件的表面5次，除去金屬表面的油污和粉塵，自然晾干。

實施例3

一種滲納米鉆石烯的新型金屬表面熱處理方法，不同之處在于，步驟1）中使待熱處理的金屬部件的外表面均包裹一層4mm厚的納米鉆石烯；步驟3）中升溫至奧氏體轉變溫度，其余同實施例1。

1、實驗與性能檢測

選用合金工具鋼Cr12MoV為試驗對象，分別按本發(fā)明進行滲納米鉆石烯處理和按普通滲碳工藝滲碳處理，然后檢驗它們的主要性能指標，結果如下：

1.1滲層深度隨時間的變化

將兩種試樣分別滲透1h、3h、5h、10h、20h和50h，然后檢測滲層深度，得出滲層深度與滲透時間的關系如下圖1所示，其中A曲線表示納米鉆石烯滲層深度隨滲透時間的變化關系，B曲線表示碳滲層深度隨滲透時間的變化關系。

從圖1中可以看出，滲納米鉆石烯的平均速度能達到1.5mm/h左右，明顯快于普通滲碳的速度，并且滲透層的深度能夠到達40mm以上，遠遠高于滲碳層的厚度。從圖1中還能看出時間越長滲透的速度越慢，效率越低。

1.2硬度隨滲透深度的變化關系

將兩種試樣分別滲透10h，然后按GB/T230.1-2009的規(guī)定，分別檢測滲層不同深度處的洛氏硬度值（HRC），如圖2所示，其中A曲線表示納米鉆石烯滲層硬度隨滲層深度的變化關系，B曲線表示碳滲層硬度隨滲透深度的變化關系。

從圖2中可以看出，滲納米鉆石烯的材料表面硬度達到了70HRC以上,比滲碳的材料表面硬度高出8HRC左右。而且與滲碳相比，滲納米鉆石烯的滲層較深，隨著滲層深度的增加，硬度呈明顯的梯度變化，無明顯的界面，過渡區(qū)較寬，不易出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，所以滲層附著力強，不易脫落，為后續(xù)機加工提供可能性。

1.3 摩察系數(shù)隨磨損時間的變化關系

將兩種試樣分別滲透10h，然后按GB/T12444-2006的要求，在MRH-3型高速環(huán)塊磨損試驗機上進行磨損試驗，磨盤轉速控制在400r/min，試驗載荷控制在50N，分別檢測摩察系數(shù)和磨痕寬度隨磨損時間的變化關系如下圖3、4所示。

從圖3中可以看出，滲納米鉆石烯的試樣穩(wěn)定后的摩察系數(shù)穩(wěn)定在0.1左右，比滲碳試樣的摩察系數(shù)0.6低很多。

從圖4可以看出，在相同的時間內(nèi)，滲納米鉆石烯的磨痕寬度比滲碳的磨痕寬度要小很多，這說明滲納米鉆石烯的試樣耐磨性要比滲碳試樣高出很多。