黑色金屬的空氣離子氧氮共滲工藝制造技術(shù)

一種黑色金屬的空氣離子氧氮共滲工藝涉及金屬表面強(qiáng)化處理工藝，主要解決黑色金屬離子滲氮的速度和進(jìn)一步提高工件表面耐磨性、耐腐蝕性問(wèn)題。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)包括將調(diào)質(zhì)后的工件清洗、干燥、入爐，將離子滲氮爐內(nèi)抽成真空，輸入直流電壓，按比例通入滲氮?dú)怏w和空氣同時(shí)加熱，保溫，緩冷，爐冷，出爐。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)能減少污染，加快滲氮速度，提高滲氮工件的耐磨、耐腐蝕性能。適用于鑄鐵、碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和工模具鋼的表面強(qiáng)化。（*該技術(shù)在2024年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及金屬表面強(qiáng)化工藝。適用于鑄鐵、碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和工模具鋼的表面強(qiáng)化。
技術(shù)介紹
離子滲氮是一種強(qiáng)化金屬表面的工藝，該工藝流程為(1)將調(diào)質(zhì)后的試樣清洗、干燥，置于陰極盤(pán)上，關(guān)閉爐體，用機(jī)械泵將離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50～120Pa；(2)由電源向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至爐內(nèi)打散弧，打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散弧；(3)向滲氮爐內(nèi)通入氨氣或氮-氫混合氣；(4)以50～100℃/小時(shí)的速度將工件加熱到500-580℃；(5)保溫0.5～60小時(shí)后，關(guān)閉氣源和電源，用機(jī)械泵排除離子滲氮爐內(nèi)的氨氣或氮-氫混合氣，以50～100℃/小時(shí)隨爐冷至50～150℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開(kāi)爐取出工件。為了進(jìn)一步加快滲氮速度或提高某些性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，在離子滲氮的基礎(chǔ)發(fā)展了多元共滲工藝，如離子氧氮共滲、離子氧氮碳共滲和離子氧硫共滲等。離子氧氮共滲和離子氧氮碳共滲是在離子滲氮和離子氮碳共滲的基礎(chǔ)上，加入少量的O2或CO2而實(shí)現(xiàn)的。離子氧硫氮共滲是用SO2+NH3作為氣源，其用量配比SO2∶NH3約為1∶4～12。無(wú)論用O2、CO2或SO2作為滲氧的氣源，都需要一定的工藝制備，還需要瓶裝和運(yùn)輸，增加了有氧離子多元共滲的成本，SO2氣體還會(huì)造成環(huán)境污染。直接利用空氣作為離子氧氮共滲的氧氣源，用空氣和氨氣進(jìn)行離子氧氮共滲工藝，至今未見(jiàn)報(bào)道。目前所用離子滲氮爐，有的用液氨作滲氮?dú)庠矗械挠玫?氫混合氣作滲氮?dú)庠础Ｌ幚頃r(shí)，滲氮?dú)怏w通過(guò)橡皮軟管接入干燥筒下部的氣嘴，經(jīng)氣嘴進(jìn)入筒中的干燥劑層后，由上部的氣嘴用橡皮軟管連接到氣體流量計(jì)的下端氣嘴，打開(kāi)流量計(jì)針形閥，滲氮?dú)怏w通過(guò)針形閥和玻璃管后由上端氣嘴用橡皮軟管接入離子滲氮爐。本專(zhuān)利技術(shù)的供氣系統(tǒng)是在離子滲氮供氣系統(tǒng)上添加一根通入空氣的管道，用針形閥控制進(jìn)入干燥筒中的空氣量，經(jīng)干燥后的空氣，由干燥筒上端的氣嘴用橡皮軟管連接到流量計(jì)的下端氣嘴。打開(kāi)流量計(jì)針形閥，空氣通過(guò)針形閥和玻璃管后由上端氣嘴用橡皮軟管接入離子滲氮爐內(nèi)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的是在于提供一種黑色金屬的空氣離子氧氮共滲工藝，利用該工藝對(duì)黑色金屬工件進(jìn)行離子氧氮共滲，減少氨氣的使用量和氨氣對(duì)環(huán)境污染，加快滲氮速度，提高黑色金屬工件的耐磨性和耐腐蝕性。為了實(shí)現(xiàn)上述專(zhuān)利技術(shù)目的，本專(zhuān)利技術(shù)按以下步驟進(jìn)行(1)將調(diào)質(zhì)后的工件清洗并干燥后裝入離子滲氮爐內(nèi)的陰極盤(pán)上；(2)關(guān)閉爐體，對(duì)離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50～120Pa；(3)接通電源開(kāi)關(guān)，向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至離子滲氮爐內(nèi)打散弧，待打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散弧；(4)按滲氮?dú)怏w與空氣的流量比為70～95∶5～30，經(jīng)干燥后同時(shí)向離子滲氮爐內(nèi)通入滲氮?dú)怏w和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時(shí)的速度加熱到500～580℃。該步中的滲氮?dú)怏w可為氨氣或氮-氫混合氣，用氮-氫混合氣作滲氮?dú)怏w時(shí)，氮?dú)馀c氫氣的混合比為14～19∶56～76；(5)保溫0.5～60小時(shí)后，關(guān)閉氣源和電源，抽出離子滲氮爐內(nèi)的滲氮?dú)怏w和空氣，并以50～100℃/小時(shí)隨爐冷至50～150℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開(kāi)爐取出工件。本專(zhuān)利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下技術(shù)效果與普通離子滲氮相比，空氣離子氧氮共滲工藝減少了污染，提高了滲氮速度，黑色金屬工件的耐磨性和抗腐蝕性均得到了明顯的提高。本專(zhuān)利技術(shù)與普通離子相比，減少了氨氣的使用量5～30％，從而減少了氨氣對(duì)環(huán)境的污染。從圖3和圖4可以看出6小時(shí)45鋼普通離子滲氮后滲氮層深度為0.47mm，而用本專(zhuān)利技術(shù)對(duì)45鋼進(jìn)行空氣離子氧氮共滲處理在相同的時(shí)間內(nèi)滲氮層深度可達(dá)0.58～0.67mm；6小時(shí)40Cr鋼普通離子滲氮滲氮層深度為0.28mm，而用本專(zhuān)利技術(shù)對(duì)40Cr鋼進(jìn)行空氣離子氧氮共滲處理在相同的時(shí)間內(nèi)滲氮深度可達(dá)0.38～0.46mm。圖7和圖8為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮與空氣離子氧氮共滲工藝處理的電化學(xué)性能測(cè)試塔費(fèi)爾曲線，普通離子滲氮時(shí)40Cr鋼的腐蝕電位為-856.625mV(相對(duì)于甘汞電極SCE)，腐蝕速度為0.317664μA/cm2；空氣離子氧氮共滲時(shí)40Cr鋼的腐蝕電位為-859.375mV(相對(duì)于甘汞電極SCE)，腐蝕速度為0.077562μA/cm2。空氣離子氧氮共滲后工件的腐蝕速度明顯減慢，抗腐蝕性能明顯提高。圖9為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮與空氣離子氧氮共滲處理后相互對(duì)磨的磨損曲線，由圖可見(jiàn)，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，普通離子滲氮工件的失重量迅速增加。相互對(duì)磨11小時(shí)后，常規(guī)離子滲氮處理的40Cr鋼工件失重量為8.0890g，采用空氣離子氧氮共滲工藝處理的工件失重量為2.2888g，空氣離子氧氮共滲后工件的耐磨性得到明顯的提高。附圖說(shuō)明圖1為氨氣作滲氮?dú)庠吹目諝怆x子氧氮共滲工藝供氣系統(tǒng)示意圖，圖2為氮-氫混合氣作滲氮?dú)庠吹目諝怆x子氧氮共滲工藝供氣系統(tǒng)示意圖，圖3分別為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮和不同離子氧氮共滲工藝處理后的顯微硬度曲線，圖4分別為45鋼經(jīng)普通離子滲氮和不同離子氧氮共滲工藝處理后的顯微硬度曲線，圖5為45鋼經(jīng)空氣離子氧氮共滲工藝處理后工件表面的的X衍射分析圖譜，圖6為45鋼經(jīng)普通離子滲氮工藝處理后工件表面的的X衍射分析圖譜，圖7為40Cr鋼經(jīng)空氣離子氧氮共滲工藝處理后的電化學(xué)性能測(cè)試塔費(fèi)爾曲線，圖8為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮工藝處理后的電化學(xué)性能測(cè)試塔費(fèi)爾曲線，圖9為40Cr鋼經(jīng)離子氧氮共滲和離子滲氮后的耐磨性能測(cè)試結(jié)果。在圖1中，1為液氨瓶，2、3、4為流量計(jì)，5為干燥筒，6為離子滲氮爐體，7為工件，8為陰極盤(pán)。在圖2中，1為液氮瓶，2為液氫瓶、3、4、5為流量計(jì)，6為干燥筒，7為離子滲氮爐體，8為陰極盤(pán)，9為工件。在圖3和圖4中，橫坐標(biāo)表示離表面的距離，縱坐標(biāo)表示硬度值(HV0.2)，E10表示純氨離子滲氮工件，E9表示添加10％空氣的離子氧氮共滲工件、E8表示添加20％空氣的離子氧氮共滲工件。在圖5和圖6中，橫坐標(biāo)表示衍射角2θ，縱坐標(biāo)表示衍射強(qiáng)度I，X射線衍射峰上的標(biāo)識(shí)為各物相。在圖7和圖8中，橫坐標(biāo)表示電位(伏)，縱坐標(biāo)表示Lg(I，毫安)。在圖9中，橫坐標(biāo)表示磨損時(shí)間(小時(shí))，縱坐標(biāo)表示失重量(克)。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝(1)將調(diào)質(zhì)后的工件清洗、干燥，裝入離子滲氮爐內(nèi)的陰極盤(pán)上；(2)關(guān)閉爐體，用機(jī)械泵將離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50-120Pa；(3)接通電源開(kāi)關(guān)，向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至離子滲氮爐內(nèi)打散弧，打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散弧；(4)滲氮?dú)怏w與空氣的配比流量 流量比氨氣9.0L/Min 90空氣1.0L/Min 10按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時(shí)向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時(shí)的速度加熱到500～580℃；(5)保溫6小時(shí)后，關(guān)閉氣源和電源，用機(jī)械泵抽出離子滲氮爐內(nèi)的氨氣和空氣，并以50～100℃/小時(shí)隨爐冷至50-150℃后停爐，待工件在離子滲氮爐中冷至室溫后開(kāi)爐取出工件。實(shí)施例2 45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮?dú)怏w和空氣的配比流量 流量比氨氣8.0L/Min80空氣2.0L/Min20按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于該工藝按以下步驟進(jìn)行：（１）將調(diào)質(zhì)后的試樣清洗并干燥后裝入離子滲氮爐內(nèi)的陰極盤(pán)上；（２）關(guān)閉爐體，對(duì)離子滲氮爐內(nèi)抽真空至５０～１２０Ｐａ；（３）接通電源開(kāi)關(guān)，向陰極輸 入１０～１０００Ｖ的可調(diào)直流高壓至離子滲氮爐內(nèi)打散弧，待打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散弧；（４）按滲氮?dú)怏w與空氣的流量比為７０～９５∶５～３０，經(jīng)干燥后同時(shí)向離子滲氮爐內(nèi)通入滲氮?dú)怏w和空氣，由輝光放電將工件以５０～１００℃／ 小時(shí)的速度加熱到５００～５８０℃；（５）保溫０．５～６０小時(shí)后，關(guān)閉氣源和電源，抽出離子滲氮爐內(nèi)的滲氮?dú)怏w和空氣，并以５０～１００℃／小時(shí)隨爐冷至５０～１５０℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開(kāi)爐取出工件。

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周上祺，龍發(fā)進(jìn)，任勤，劉守平，劉林飛，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：重慶大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：85[中國(guó)|重慶]