奧氏體不銹鋼精密硬化方法及設(shè)備的制作方法

專利名稱：奧氏體不銹鋼精密硬化方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面處理方法及設(shè)備，特別是一種奧氏體不銹鋼工件表面 精密硬化的處理方法及設(shè)備。
技術(shù)背景奧氏體不銹鋼，如SUS316和SUS304，是中高檔手表外構(gòu)件(包括表帶、表 殼和表扣)及3C產(chǎn)品(通訊產(chǎn)品Communication、電腦產(chǎn)品Co即uter和消費(fèi)類 電子產(chǎn)品Consumer)的外構(gòu)件(包括手機(jī)外殼、MP3外殼和MP4外殼)采用的主 要材料之一，該類材料的優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性好、韌性和強(qiáng)度高，缺點(diǎn)是硬度低， 表面顯微硬度為HV。. 5150 250，很容易在使用過程中被劃傷。實(shí)踐表明奧氏 體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件表面硬度需要提高到HV^500以上，才能在實(shí)際 使用中達(dá)到一定的抗劃傷效果。常用的解決辦法是用物理氣相沉積PVD工藝在 奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件表面鍍制硬膜，如TiN、 TiNC、 CrN和CrC。 由T用做基體的奧氏體不銹鋼硬度比較低，在表面顯微硬度測(cè)試過程中基體效 應(yīng)大，PVD工藝需要制備厚度達(dá)2 y m以上的硬質(zhì)厚鍍層才能使表面顯微硬度〉 IW。.()5500，而用PVD工藝制備硬質(zhì)厚鍍層存在著膜基結(jié)合力差、表面粗糙度易下 降的缺點(diǎn)，絕大部分用PVD工藝在奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件表面鍍制 硬膜的企業(yè)，為了保證.定的膜基結(jié)合力和膜層表面粗糙度，鍍制的硬膜很薄， 大都在ltim以下，以裝飾顏色為主，并不能起到很好的抗劃傷作用。滲氮、滲碳或碳氮共滲是鋼鐵表面硬化常用的方法，奧氏體不銹鋼表面因 為存在致密的鈍化層，導(dǎo)致滲氮、滲碳或碳氮共滲方法不能直接被應(yīng)用。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3105652. 7、 93106554. 2和91109200. 5中針對(duì)奧氏體不銹鋼產(chǎn)品， 以奧氏體不銹鋼螺釘為主，公開了先進(jìn)行氟化去表面鈍化層，然后再進(jìn)行氣體 滲氮加硬表面、最后酸浸去除高溫氧化膜和部分硬化層的方法。屮國(guó)專利申請(qǐng) 號(hào)200380100962. 4中提到，用含有卣素氣體或鹵化物氣體的氣氛對(duì)含Mo 3 20% 的奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面活化處理，然后進(jìn)行氣體碳氮共滲，可以獲得硬度大 于HV1350的硬化層。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410043632.2中公開了用各類型的聚 氯乙烯樹脂(CH2CHC1)作為汽輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)不銹鋼類零件在進(jìn)行氣體滲氮前去 除鈍化層的材料。而中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00710132921. 3則通過在氣體滲氮時(shí)加入 NH4C1來去除不銹鋼表面的鈍化層。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0801908.8中采用氣體滲 的方法對(duì)奧氏體不銹鋼手表外構(gòu)件表面進(jìn)行硬化處理，工藝路線如下250 600 'C氟化處理去鈍化層一400 50(TC氣體滲硬化一酸洗腐蝕去氧化皮一水漂洗 去酸液一滾磨、拋光。利用上述這些方法得到的硬化層與基體之間的結(jié)合屬冶 金結(jié)合，牢固度高，但工藝處理時(shí)間長(zhǎng)，專利申請(qǐng)?zhí)?0801908. 8中提到奧氏體 不銹鋼48(TC氣體滲碳約12小時(shí)才能得到15 30wm硬化層，工序復(fù)雜、對(duì)環(huán) 境造成污染，使用NF:,、 BF^ CF4、 HF、 F2、 Cl2、 HC1和CO有害氣體以及硝酸、 鹽酸、氫氟酸等強(qiáng)酸。
離子滲用于奧氏體不銹鋼表面硬化比氣體滲有更多優(yōu)點(diǎn)1、利用離子的轟 擊作用去除表面鈍化層；2、在離子的轟擊作用下，滲速加快；3、在真空環(huán)境 F進(jìn)行處理，表面氧化少。相對(duì)于氣體滲而言，離子滲工序簡(jiǎn)單、效率更高、 污染少。國(guó)內(nèi)對(duì)奧氏體不銹鋼離子滲研究的報(bào)道較少，青島科技大學(xué)等離子體 表面技術(shù)研究所與英國(guó)伯明翰大學(xué)材料系合作對(duì)奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮或 低溫離子碳氮共滲即軟氮化工藝進(jìn)行了研究，江蘇工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程系 對(duì)奧氏體不銹鋼1Cri8Ni9Ti在較高溫度下的離子滲氮進(jìn)行了研究，大連海事大學(xué)材料工藝研究所利用低壓等離子體弧離子源對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行了低溫滲氮 研究。上述的方法沒有解決平整高光奧氏體不銹鋼表面離子滲后的外觀保持問 題，也沒有解決特殊形狀的奧氏體不銹鋼工件所適用的工藝方法問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種奧氏體不銹鋼精密硬化方法及設(shè)備，要解決的技 術(shù)問題是提高奧氏體不銹鋼表面的顯微硬度、降低表面粗糙度，并適用于特殊 形狀的奧氏體不銹鋼工件表面。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 一種奧氏體不銹鋼精密硬化方法，包括以下歩
驟 一、將工件放進(jìn)爐內(nèi)，在380 45(TC的溫度下進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共 滲硬化處理l 5h，本底真空為10Pa以下，工作真空為100 500Pa,輔助陰極 距離工件表面的距離為0.5 10cm，工作電壓為400 800V，獲得硬化層深度5 90um; 二、進(jìn)行光飾處理，達(dá)到表面粗糙度K10nm。
本發(fā)明的方法離子滲氮或離子碳氮共滲硬化處理時(shí)，充入氨氣、氫氣、氮 氣、甲烷或/和乙炔氣體。
本發(fā)明的方法光飾處理包括滾光、手工拋光或滾光與手工拋光組合。
本發(fā)明的方法滾光處理為將工件放進(jìn)工件與磨料質(zhì)量比不大于1: 15的滾 光機(jī)滾桶中進(jìn)行滾光，滾筒轉(zhuǎn)速10~60r/min，滾光時(shí)間6 48h，磨料為3.2X 3. 2mm 1. 1 X 1. lmm的核桃屑。
本發(fā)明的方法滾光處理先選用較大尺寸的磨料粗滾，再選用較小尺寸的磨 料精滾。
本發(fā)明的方法手工拋光處理時(shí)，人工將工件按壓在拋光機(jī)的拋光輪上，拋 光輪轉(zhuǎn)速為800~3000r/min，拋光輪材料采用麻輪、布輪和羊毛輪，拋光處理前 在拋光輪上涂拋光蠟。一種奧氏體不銹鋼精密硬化設(shè)備，其真空室內(nèi)設(shè)有主陰極盤，真空室連接 有電源系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)，所述主陰極盤上設(shè)有多層水平盤式輔助陰 極，工件放置在各個(gè)水平盤式輔助陰極上，各個(gè)水平盤式輔助陰極下表面距工 件上表面的距離為0. 5 10on。本發(fā)明的水平盤式輔助陰極與工件之間設(shè)有工件支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的盤式輔助陰極下表面與工件上表面隨形。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用水平盤式輔助陰極放置工件，通過溫度、真 空度、電壓的組合進(jìn)行低溫離子滲氮或低溫離子碳氮共滲工藝，獲得硬化層后 進(jìn)行光飾處理，得到奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件具有不變形、顯微硬度 >HV。.。5500，表面粗糙度1^<10皿的技術(shù)效果，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。


圖1是低溫離子滲氮或離子碳氮共滲后奧氏體不銹鋼表面的斷面示意圖。圖2是本發(fā)明的方法處理后奧氏體不銹鋼表面的斷面示意圖。圖3是本發(fā)明設(shè)備的多層水平盤式輔助陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明設(shè)備帶支撐結(jié)構(gòu)的多層水平盤式輔助陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明設(shè)備帶支撐結(jié)構(gòu)的多層水平盤式隨形輔助陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明設(shè)備的硬化處理設(shè)備結(jié)構(gòu)示意7是本發(fā)明實(shí)施例1的硬化處理后表面形貌圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例1的硬化層橫斷面金相圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例2的硬化層橫斷面金相圖。圖10是本發(fā)明實(shí)施例3的硬化層橫斷面金相圖。圖11是本發(fā)明實(shí)施例3的硬化層GDS成分分析圖。圖12是本發(fā)明實(shí)施例3的硬化層XRD相分析圖。圖13是本發(fā)明實(shí)施例4的硬化層橫斷面金相圖。
具體實(shí)施方式
下而結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一歩詳細(xì)說明。本發(fā)明的奧氏休不銹鋼精密硬化方法，包括以下步驟 一、在380 45(TC 的溫度下進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共滲硬化處理1 5h，離子滲氮或離子碳氮共 滲硬化處理本底真空為10Pa以下，工作真空為100 500Pa，輔助陰極距離工件 表面的距離為0. 5 10cffl，工作電壓為400 800V，獲得的硬化層深度為5 90 wm; 二、硬化處理完成后進(jìn)行光飾處理，包括滾光、手工拋光或二者有機(jī)組 合，達(dá)到表面粗糙度IK10nm的鏡面效果，以達(dá)到抗劃傷和外觀裝飾兩種應(yīng)用 要求。如圖6所示，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼精密硬化設(shè)備，上部為真空室61，其 放置在機(jī)座62上，真空室61靠近底部的部分為主陰極盤63， 二者通過支撐和 絕緣機(jī)構(gòu)相連，多層水平盤式輔助陰極64放置在主陰極盤63上，真空室61連 接抽氣系統(tǒng)65、電源系統(tǒng)66、測(cè)溫和控溫系統(tǒng)67，真空測(cè)量系統(tǒng)69從真空室 61的底部引入，供氣系統(tǒng)68從真空室61的頂部引入。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼精密硬化設(shè)備，在離子滲氮設(shè)備中設(shè)置多層水T-盤 式輔助陰極結(jié)構(gòu)，用來擺放奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件工件，工件平放 在盤子上，或支撐結(jié)構(gòu)件放在盤子上，工件平放在支撐結(jié)構(gòu)件上，輔助陰極距 工件表面的距離為0. 5 10cm。奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件主要包括表帶、表殼、表扣、表底蓋、 手機(jī)外殼、MP3外殼和MP4外殼，多為平板形、近似平板形、近似平板的圓環(huán)形 和近似平板的方框形，厚度較薄，大都在0.3毫米到數(shù)毫米范圍。根據(jù)這些特 點(diǎn)，為了防止奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件在硬化處理過程中因受熱而變形并提高裝爐量，設(shè)備采用多層水平盤式輔助陰極結(jié)構(gòu)，工件平放在盤子上， 或?qū)Ｓ弥谓Y(jié)構(gòu)放在盤子上，工件平放在支撐結(jié)構(gòu)上。每個(gè)水平盤的上表面 用來擺放工件，下表面用來做為下層產(chǎn)品的輔助陰極。支撐結(jié)構(gòu)的作用對(duì)受 熱易變形的薄壁件進(jìn)行加固，防止變形發(fā)生；將形狀稍復(fù)雜的工件支撐起來， 便于水平放置；對(duì)于部分底面也要求硬化的工件，支撐起來可以保證要求硬化 的部分底面外露，以保證離子可以轟擊到。做為輔助陰極的水平盤下表面是平 板形的或與工件隨形，目的是讓水平盤下表面的陰極位降區(qū)下方的負(fù)輝區(qū)和工 件上表面的陰極位降區(qū)上方的負(fù)輝區(qū)相互重疊，陰極發(fā)射的電子在水平盤下表 面和工件上表面這兩個(gè)電極間來回振蕩，增加了電子和氣體分子間碰撞的幾率， 引起更多的激發(fā)和電離過程，導(dǎo)致電流密度增大，加強(qiáng)了離子對(duì)工件不同部位 的轟擊， 一方面可以獲得更均勻的硬化效果，另一方面滲速加快，進(jìn)一步提高 生產(chǎn)效率。輔助陰極距工件的距離太遠(yuǎn)時(shí)，起不到上述作用；輔助陰極距工件 的距離太近時(shí)，空心陰極放電現(xiàn)象嚴(yán)重，工件表面會(huì)出現(xiàn)打火、燒蝕以及不可 控的超溫問題。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，隨著氣壓不同，選擇范圍在0.5 10cm。
本發(fā)明在380 45(TC的較低溫度下對(duì)奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件進(jìn) 行離子滲氮或離子碳氮共滲。奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件在實(shí)際使用中 經(jīng)常會(huì)與人體汗液和水接觸，故其對(duì)耐腐蝕性要求較高。經(jīng)常采用的奧氏體不 銹鋼SUS304和SUS316等材料能滿足使用過程中的耐腐蝕要求，但經(jīng)硬化處理 后耐腐蝕性會(huì)發(fā)生變化。超過45(TC對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共 滲，耐腐蝕性下降，原因分析如下奧氏體不銹鋼基體相中固溶的Cr在自然條 件下可以在表面與氧化合形成致密的鈍化層，保持奧氏體不銹鋼具有抗腐蝕的 原始性能，在45(TC以上的高溫下進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共滲硬化處理時(shí)，奧 氏體相中的Cr易析出與氮化合形成化合物CrN，耐腐蝕的奧氏體相被破壞，形成表面鈍化層所需的原奧氏體相中的活性Cr減少，導(dǎo)致表面鈍化層不能形成或 品質(zhì)下降，耐腐蝕性隨之變差；此外，耐腐蝕的奧氏體相中析出Cr之后也變得 不耐腐蝕。奧氏體不銹鋼離子滲氮或離子碳氮共滲在38(TC以下很難進(jìn)行，不能 得到有效的硬化層。本發(fā)明的方法在380 45(TC的溫度奧氏體不銹鋼手表及 產(chǎn)品外構(gòu)件進(jìn)行低溫離子滲氮或低溫離子碳氮共滲，可以得到無CrN析出的爭(zhēng) 一擴(kuò)大奧氏體相，與原基體奧氏體相相比，擴(kuò)大奧氏體相中固溶了N或C，處理 時(shí)間1 5h，采用德國(guó)Leica公司DMLM型金相顯微鏡觀察斷口 ，滲層深度5 90y m,采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HX-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)得表面 顯微硬度> HV。. S500，最高可達(dá)HVn.。51500，采用荷蘭Panalytical公司生產(chǎn)的X，Pert Pro型X射線衍射儀測(cè)得無CrN相析出，在表面硬度提高到抗劃傷要求的前提下， 耐腐蝕性不下降。
奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件進(jìn)行低溫離子滲氮或低溫離子碳氮共滲 處理后，表面粗糙度增大，這主要是因?yàn)樾纬傻木鄶U(kuò)大奧氏體相中固溶N或C， 晶格變形導(dǎo)致晶粒和晶界在外表面產(chǎn)生階差，此外離子的轟擊刻蝕作用也會(huì)在 一定程度上造成表面粗糙度增大。奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件對(duì)外觀裝 飾要求比較高，常用的表面處理效果主要有鏡面、拉絲面、噴砂面、激光雕 刻圖案和酸刻圖案。經(jīng)低溫離子滲氮或低溫離子碳氮共滲處理后鏡面的外觀效 果改變較大。
為了在獲得抗劃傷效果的同時(shí)仍能達(dá)到外觀裝飾的使用效果要求，本發(fā)明 的方法在硬化處理完成后迸行光飾處理，光飾處理工藝包括滾光、手工拋光， 二者可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。滾光處理時(shí)，將工件放進(jìn)工件與磨料質(zhì) 量比不大于h 15、直徑X長(zhǎng)度為0. 6X1. 2米的木制滾光機(jī)滾桶中進(jìn)行滾光， 滾筒轉(zhuǎn)速10 60r/min，滾光時(shí)間6 48h，磨料通常選用3. 2 X 3. 2mrn 1. 1X 1. lmm的核桃屑。磨料尺寸人時(shí)，工件表面在單位時(shí)間內(nèi)的去除量大，效率高，但一 些狹縫和小孔得不到拋光效果，而且拋光處理后的表面粗糙度較大。磨料尺寸 小時(shí)，工件表面在單位時(shí)間內(nèi)的去除量小，效率低，但一些狹縫和小孔可以得 到拋光，而且處理后的表面粗糙度小。為了發(fā)揮大磨料和小磨料各自特點(diǎn)，可 以先選用較大尺寸的磨料粗滾，再選用較小尺寸的磨料精滾。手工拋光處理時(shí)，
通過人工將工件按壓在裝有YD100U-4/2型電機(jī)的拋光機(jī)的拋光輪上，拋光輪垂 直旋轉(zhuǎn)，拋光輪轉(zhuǎn)速800 3000r/min。操作者順著拋光輪旋轉(zhuǎn)的切線方向進(jìn)行拋 光，拋光輪材料依拋光的精細(xì)程度可分別采用麻輪、布輪和羊毛輪，拋光處理 前還要依拋光的精細(xì)程度在拋光輪上涂含不同材質(zhì)和不同粒徑磨料的拋光蠟， 如黃蠟、白蠟和綠臘。
如圖1所示，奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件在380 45CTC進(jìn)行低溫離 子滲氮或低溫離子碳氮共滲處理時(shí)，表面層一定深度內(nèi)N或C原子以固溶方式 存在-丁-基體奧氏體相中，形成單一擴(kuò)大奧氏體相，即基體1上面的硬化內(nèi)層2 和硬化外表面層3，處理時(shí)間1 5h，硬化內(nèi)層2和硬化外表面層3的合計(jì)深度 5 90iim，表面顯微硬度>^。.,)5500，最高可達(dá)HV。眉1500，能滿足實(shí)際使用中的 抗劃傷要求，這是精密硬化的重要步驟之一。
離子滲氮或低溫離子碳氮共滲處理奧氏體相屮固溶了 N或C而引起晶格膨 脹變形，導(dǎo)致晶粒和晶界在硬化外表面層3上產(chǎn)生階差，此外離子的轟擊刻蝕 作用也會(huì)在一定程度上造成硬化外表面層3的粗糙度增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面粗 糙度Ra< 10nm的鏡面奧氏體不銹鋼在380 450'C進(jìn)行低溫離子滲氮或低溫離子 碳氮共滲處理時(shí)，隨著硬化處理時(shí)間和處理深度的增加，用美國(guó)Thermo Veeco 公司的Dektak 6M型輪廓儀測(cè)得表面粗糙度增加至Ra=50 800nm。奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件對(duì)外觀裝飾要求比較高，經(jīng)低溫離子滲 氮或低溫離子碳氮共滲處理后的硬化外表面層3的粗糙度往往不能滿足使用要 求。為了在獲得抗劃傷效果的同時(shí)仍能達(dá)到外觀裝飾使用要求，本發(fā)明的方法 在硬化處理完成后進(jìn)行后序光飾處理，包括滾光和手工拋光，這也是精密硬化 的重要步驟。如圖2所示，光飾處理的目的是將粗糙的硬化外表面層3去除， 保留基體1上面的硬化內(nèi)層2。實(shí)際操作過程中，為了保證較小的粗糙度，硬化 內(nèi)層2與硬化外表面層3相結(jié)合的一部分也會(huì)被去除掉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于 硬化后表面粗糙度Ra=50 800nm的工件，經(jīng)滾光或手工拋光或二者組合光飾處 理后，表面粗糙度可重新恢復(fù)到Ra〈10nm，達(dá)到鏡面效果。奧氏體不銹鋼手表及3C產(chǎn)品外構(gòu)件進(jìn)行低溫離子滲氮或低溫離子碳氮共滲 處理時(shí)，特別是在批量生產(chǎn)時(shí)，面臨著如下需要解決的問題(1)改善等離子 體分布的不均勻性，從而改善溫度分布的不均性，以達(dá)到均勻硬化的效果；(2) 加快滲速以提高生產(chǎn)效率；(3)減小薄壁件在硬化處理過程中的變形；(4)擴(kuò) 大裝爐量以提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明的設(shè)備采用多層水平盤式輔助陰極結(jié)構(gòu)，較 好地解決了上述問題。如圖3所示，多層水平盤式輔助陰極包括多個(gè)水平盤 31、支撐水平盤31的支撐螺桿32和固定螺母33。水平盤31上表面用來擺放工 件34。每個(gè)水平盤31的下表面用來做為下層工件34的輔助陰極，固定螺母33 把水平盤31固定在支撐螺桿32的不同高度上，支撐螺桿32的數(shù)量為3根或3 根以上，通過調(diào)整固定螺母33在螺桿32上的位置可以調(diào)整上下兩個(gè)水平盤31 之間的間距，即達(dá)到調(diào)整輔助陰極距工件34上表面距離的目的。硬化處理時(shí)， 輔助陰極下方的負(fù)輝區(qū)和工件上表面的負(fù)輝區(qū)相互重疊而發(fā)生空心陰極效應(yīng)， 離子對(duì)工件不同部位的轟擊增加，工件表面等離子體分布的均勻性得到改善， 一方面可以獲得更均勻的硬化效果，另一方面滲速加快。輔助陰極距工件的距離太遠(yuǎn)時(shí)，起不到上述作用；輔助陰極距工件的距離太近時(shí)，空心陰極放電現(xiàn) 象嚴(yán)重，工件表面會(huì)出現(xiàn)打火、燒蝕，還會(huì)出現(xiàn)不可控的超溫等問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn) 研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣壓的不同，合適的范圍為O. 5 10cm。工件34可以直接擺放 在水平盤31上，對(duì)于底音^比較平整、又不要求提高底部硬度的工件可以采用這 種擺放方式，如表帶等。如圖4所示，工件支撐結(jié)構(gòu)35擺放在水平盤31上， 工件34擺放在工件支撐結(jié)構(gòu)35上。對(duì)受熱易變形的薄壁件可以利用特制的工 件支撐結(jié)構(gòu)35進(jìn)行加固，防止硬化處理時(shí)發(fā)牛變形，如手機(jī)外殼、MP3外殼、 MP4外殼等；對(duì)于形狀復(fù)雜的工件可以用特制的工件支撐結(jié)構(gòu)35支撐起來，這 便于擺放在在水平盤31上，如表殼等；對(duì)于部分底面也要求硬化的工件，支撐 起來還可以保證要求硬化的部分底面外露，以保證離子可以轟擊到。做為輔助 陰極的水平盤的下表面可以是平板形的，如圖3和圖4屮的水平盤31所示。水 平盤也可以與工件隨形，如圖5所示，隨形水平盤36下表面的隨形結(jié)構(gòu)是依照 工件34上表面的形狀制做的，可以更好地保證輔助陰極距工件上表面不同部位 的距離相同，從而獲得更好的均勻硬化效果。
實(shí)施例l，將已拋光成鏡面的奧氏體不銹鋼SUS316表帶清洗干凈，裝入如 圖6所示的離子滲設(shè)備中，表帶直接平放在多層水平盤式輔助陰極64的水平盤 上，表帶上表面距上層水平盤底面距離10cm。抽氣系統(tǒng)65對(duì)真空室61抽真空 至真空測(cè)量系統(tǒng)69顯示10Pa以下時(shí)，開啟電源系統(tǒng)66對(duì)表帶進(jìn)行離子轟擊升 溫，在此過程中，通過進(jìn)氣系統(tǒng)68逐漸通入氨氣并調(diào)節(jié)電參數(shù)，工作電壓為 650 800V，當(dāng)測(cè)溫和控溫系統(tǒng)67顯示工件溫度升到38(TC時(shí)，將爐內(nèi)氣壓控制 在350Pa保溫l小時(shí)，之后，通過調(diào)整電參數(shù)和氣壓減小對(duì)表帶的離子轟擊以 達(dá)到降溫效果，待表帶溫度降到20(TC以下后出爐。硬化處理后采用日本JEOL 公司JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡得到表面形貌如圖7所示，可以看到，表面晶界處階差明顯，為了恢復(fù)到原有的鏡面效果，需要進(jìn)行后序光飾處理。
光飾處理歩驟如下先將該經(jīng)過低溫離子滲氮的表帶放入裝有粒徑為3. 2mm X3. 2mm的核桃屑的滾光機(jī)滾筒中，轉(zhuǎn)速45r/min，滾光處理18h。取出清洗后 再放入裝有粒徑為1. lmmXl. lmm的核桃屑的滾光機(jī)滾筒中，轉(zhuǎn)速60r/min，滾 光處理6h。最后將該表帶按壓在布輪上利用綠蠟進(jìn)行手工拋光處理。
通過上述低溫離子滲氮和光飾的精密硬化處理后，SUS316表帶的硬化層深 度約為8um，硬化層橫斷面金相圖如圖8所示，上部深色為塑料背景IOI，有5 條標(biāo)線的部分為硬化層100，表面顯微硬度由處理前的HV .。5180提高到 HV。.。5800 950，表面粗糙度Ra=4 9nm，中性鹽霧試驗(yàn)24h后的保護(hù)評(píng)級(jí)R,'為 10級(jí)?？梢钥吹?，SUS316表帶經(jīng)精密硬化處理后在不降低耐腐蝕性和粗糙度的 前提下，硬度大幅度提高。
實(shí)施例2，對(duì)鏡面奧氏體不銹鋼SUS316表殼進(jìn)行精密硬化處理，硬化處理 時(shí)采用如圖5所示多層水平盤式輔助陰極結(jié)構(gòu)，水平盤底面與表殼上表面隨形， 用圓柱形支撐結(jié)構(gòu)支撐表殼內(nèi)圓，然后擺放在在水平盤上。表帶上表面距上層 水平盤隨形底面的距離1. 5cm。和實(shí)施例1相同，所用硬化處理設(shè)備為如圖6所 示的離子滲設(shè)備，抽氣系統(tǒng)65對(duì)真空室61抽真空至真空測(cè)量系統(tǒng)69顯示10Pa 以下時(shí)，開啟電源系統(tǒng)66對(duì)表殼進(jìn)行離子轟擊升溫，在此過程中，通過進(jìn)氣系 統(tǒng)68逐漸通入氨氣并調(diào)節(jié)電參數(shù)，工作電壓為400 680V，當(dāng)測(cè)溫和控溫系統(tǒng) 67顯示工件升到440。C時(shí)，將爐內(nèi)氣壓控制在100Pa保溫4小時(shí)，之后通過調(diào) 整電參數(shù)和氣壓減小對(duì)表殼的離子轟擊以達(dá)到降溫效果，表殼降溫到20(TC以下 后出爐進(jìn)行光飾處理。
光飾處理步驟如下先將該經(jīng)過低溫離子滲氮的表殼放入裝有粒徑為3.2 X3.2mm的核桃屑的滾光機(jī)滾筒中，轉(zhuǎn)速10r/min，滾光處理48h。接著將該表帶按壓在布輪上依次利用白蠟和綠臘進(jìn)行手工拋光處理。SUS316表殼通過上述精密硬化處理后，獲得約29^m深的硬化層，硬化層 橫斷面金相圖如圖9所示，上部深色為塑料背景101，有3條標(biāo)線的部分為硬化 層IOO，表面顯微硬度提高到HV。.。51300 1500，表面粗糙度Ra《10nm。實(shí)施例3，對(duì)材質(zhì)為SUS304的鏡面MP4外殼進(jìn)行精密硬化處理，硬化處理 釆用低溫離子碳氮共滲工藝。硬化處理時(shí)采用如圖4所示多層水平盤式輔助陰 極結(jié)構(gòu)，用特制的隨形支撐結(jié)構(gòu)支撐MP4外殼內(nèi)側(cè)，然后擺放在在水平盤上， MP4外殼h表面距上層水平盤下表面的距離為5cm。與實(shí)施例1、實(shí)施例2相同， 所用硬化處理設(shè)備為如圖6所示的離于滲設(shè)備，抽氣系統(tǒng)65對(duì)真空室61抽真 空至真空測(cè)量系統(tǒng)69顯示10Pa時(shí)，開啟電源系統(tǒng)66對(duì)MP4外殼進(jìn)行離子轟擊 升溫，在此過程中，通過進(jìn)氣系統(tǒng)68逐漸通入氫氣、氮?dú)夂鸵胰?，工作電壓?550 700V，當(dāng)測(cè)溫和控溫系統(tǒng)67顯示工件升到420。C時(shí)，保持乙炔進(jìn)氣量占總 進(jìn)氣量的3%，將爐內(nèi)氣壓控制在250Pa保溫3小時(shí)，之后，通過調(diào)整電參數(shù)和 氣壓減小對(duì)MP4外殼的離子轟擊以達(dá)到降溫效果，待MP4外殼溫度降到2(XTC以 下后出爐進(jìn)行光飾處理。光飾處理采用手工拋光先將該MP4外殼用600#尼龍輪進(jìn)行粗拋、再用麻 輪上黃蠟進(jìn)行中拋，最后在布輪上依次利用白蠟和綠臘進(jìn)行精拋。MP4外殼通過上述精密硬化處理后，獲得約12 13um深的硬化層，硬化層 橫斷面金相圖如圖IO所示，上部深色為塑料背景101，有3條標(biāo)線的部分為硬 化層IOO，硬化層分成上下兩層，下層比上層更加白亮。如圖11所示，采用法 國(guó)HORIBA Jobin Yvon公司GD PROFILER型輝光放電光譜儀(GDS)對(duì)該硬 化層進(jìn)行成分分析可以知道，離子碳氮共滲時(shí)，滲氮層和滲碳層分別出現(xiàn)在不 同的位置，上層主要是滲氮硬化層，下層主要是滲碳硬化層。如圖12所示，對(duì)硬化層X-射線衍射XRD相分析可知，上層主要為固溶氮的擴(kuò)大奧氏體相yw，下
層主要為固溶碳的擴(kuò)大奧氏體相Y(:，沒有O的化合物相析出。經(jīng)測(cè)試，表面顯
微硬度為HV。.。51200 1300，表面粗糙度Ra=3 6nm。
實(shí)施例4，對(duì)材質(zhì)為SUS304的鏡面MP3外殼進(jìn)行精密硬化處理，硬化處理 采用低溫離子滲氮工藝。硬化處理時(shí)采用如圖4所示多層水平盤式輔助陰極結(jié) 構(gòu)，用特制的隨形支撐結(jié)構(gòu)支撐MP3外殼內(nèi)側(cè)，然后擺放在在水平盤上，MP3外 殼上表面距上層水平盤下表面的距離為0. 5cm。與實(shí)施例l、實(shí)施例2和實(shí)施例 3相同，所用硬化處理設(shè)備為如圖6所示的離子滲設(shè)備，抽氣系統(tǒng)65對(duì)真空室 61抽真空至真空測(cè)量系統(tǒng)69顯示10Pa時(shí)，開啟電源系統(tǒng)66對(duì)MP3外殼進(jìn)行離 子轟擊升溫，在此過程中，通過進(jìn)氣系統(tǒng)68逐漸通入氫氣和氮?dú)?，流量比?: 1，工作電壓為650 700V，當(dāng)測(cè)溫和控溫系統(tǒng)67顯示工件升到45(TC時(shí)，將爐 內(nèi)氣壓控制在500Pa保溫5小時(shí)，之后，通過調(diào)整電參數(shù)和氣壓減小對(duì)MP3外 殼的離子轟擊以達(dá)到降溫效果，待MP3外殼溫度降到20(TC以下后出爐進(jìn)行光飾 處理。
光飾處理采用手工拋光先將該MP3外殼用600#尼龍輪進(jìn)行粗拋、再用麻 輪上黃蠟進(jìn)行中拋，最后在布輪上依次利用白蠟和綠臘進(jìn)行精拋。
MP3外殼通過上述精密硬化處理后，獲得約90um深的硬化層，硬化層橫斷 面金相圖如圖13所示，上部深色為塑料背景101，有3條標(biāo)線的部分為硬化層 100。經(jīng)測(cè)試，表面顯微硬度為HV。.。51000 1050，表面粗糙度Ra二6 10nm。
權(quán)利要求
1.一種奧氏體不銹鋼精密硬化方法，包括以下步驟一、將工件放進(jìn)爐內(nèi)，在380～450℃的溫度下進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共滲硬化處理1～5h，本底真空為10Pa以下，工作真空為100～500Pa，輔助陰極距離工件表面的距離為0.5～10cm，工作電壓為400～800V，獲得硬化層深度5～90μm；二、進(jìn)行光飾處理，達(dá)到表面粗糙度Ra＜10nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的奧氏體不銹鋼精密硬化方法，其特征在于，所述離子 滲氮或離子碳氮共滲硬化處理時(shí)，充入氨氣、氫氣、氮?dú)?、甲烷?和乙炔 氣體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的奧氏體不銹鋼精密硬化方法，其特征在于，所述光飾 處理包括滾光、手工拋光或滾光與手工拋光組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的奧氏體不銹鋼精密硬化方法，其特征在于，所述滾光 處理為將工件放進(jìn)工件與磨料質(zhì)量比不大于1:15的滾光機(jī)滾桶中進(jìn)行滾光， 滾筒轉(zhuǎn)速10 60r/min，滾光時(shí)間6~48h，磨料為3. 2X3. 2腿 1. 1 X 1. lmm 的核桃屑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的奧氏體不銹鋼精密硬化方法，其特征在于，所述滾光 處理先選用較大尺寸的磨料粗滾，再選用較小尺寸的磨料精滾。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的奧氏體不銹鋼精密硬化方法，其特征在于，所述手工 拋光處理時(shí)，人工將工件按壓在拋光機(jī)的拋光輪上，拋光輪轉(zhuǎn)速為 800 3000r/min，拋光輪材料采用麻輪、布輪和羊毛輪，拋光處理前在拋光 輪上涂拋光蠟。
7. —種奧氏體不銹鋼精密硬化設(shè)備，其真空室內(nèi)設(shè)有主陰極盤，真空室連接有 電源系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)，其特征在于所述主陰極盤上設(shè)有多層水 平盤式輔助陰極，工件放置在各個(gè)水平盤式輔助陰極上，各個(gè)水平盤式輔助陰極下表面距工件上表面的距離為0. 5 10cm。-
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的奧氏體不銹鋼精密硬化設(shè)備，其特征在于所述水平盤式輔助陰極與工件之間設(shè)有工件支撐結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的奧氏體不銹鋼精密硬化設(shè)備，其特征在于所述盤式輔助陰極下表面與工件上表面隨形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種奧氏體不銹鋼精密硬化方法及設(shè)備，要解決的技術(shù)問題是提高其表面的顯微硬度、降低表面粗糙度。本發(fā)明方法包括以下步驟將工件在380～450℃的溫度下進(jìn)行離子滲氮或離子碳氮共滲硬化處理1～5h，輔助陰極距離工件表面的距離為0.5～10cm，工作電壓為400～800V，光飾處理，本發(fā)明的設(shè)備，真空室內(nèi)主陰極盤上設(shè)有多層水平盤式輔助陰極，工件放置在各個(gè)水平盤式輔助陰極上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用水平盤式輔助陰極放置工件，通過溫度、真空度、電壓的組合進(jìn)行低溫離子滲氮或低溫離子碳氮共滲工藝，再進(jìn)行光飾處理，得到構(gòu)件具有不變形、顯微硬度＞HV_0.05500，表面粗糙度R_d＜10nm的技術(shù)效果，生產(chǎn)效率高。
文檔編號(hào)B24B31/14GK101289735SQ200810067779
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月14日
發(fā)明者祎 周, 馬勝歌 申請(qǐng)人:深圳八六三計(jì)劃材料表面技術(shù)研發(fā)中心