[發明專利]一種不銹鋼工件低溫低壓離子滲氮方法及其裝置

有效

• 申請號: 201310233825.3
• 申請日: 2013-06-13
• 公開（公告）號: CN103305786A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 湯金剛;劉道新;唐長斌;于首明;張曉化;杜東興
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C23C8/38
• 分類號: C23C8/38
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明屬于不銹鋼表面防護技術領域，特別涉及一種不銹鋼耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性的綜合性能高的滲氮層的制備方法。

背景技術

離子滲氮是一種高溫下以氮原子滲入不銹鋼工件表面，形成一層以滲氮物為主的滲氮層的化學熱處理方法。滲氮工藝一般由三個基本過程組成：活性氮原子的產生、活性氮原子的表面吸收和活性氮原子的熱擴散。離子滲氮可以提高不銹鋼工件的表面硬度、耐磨損及耐疲勞綜合性能，而且工藝簡單，設備投入低，已經被廣泛應用在工業領域的生產實踐中。常規離子滲氮的滲氮溫度為600℃左右，在改善不銹鋼材料表面硬度和耐磨損性能的同時，高的滲氮溫度會使得滲氮層中的鉻元素以鉻氮化合物析出，從而使得不銹鋼滲氮表面耐腐蝕性能較差，且工件易發生變形。

當奧氏體不銹鋼的滲氮溫度低于400℃時，可以在基材表面形成膨脹奧氏體相，避免鉻元素以鉻氮化合物形式析出，從而在不降低耐腐蝕性能的前提下顯著提高不銹鋼工件的表面硬度和耐磨損性能。低溫離子滲氮技術是最近二十年在傳統常規離子滲氮技術基礎上發展起來的，已成為協同改善不銹鋼耐腐蝕、耐磨損和耐疲勞綜合性能的有效技術手段之一。

在文獻Science?2003?Vol?299:686-688中，佟偉平教授公開了一種純鐵的低溫氣體滲氮方法，該方法首先對純鐵表面進行高能噴丸強化前處理，通過工件表面的塑性變形使純鐵表面發生晶粒納米化，近而實現純鐵低于300℃的低溫氣體滲氮處理。在該方法中，高能噴丸強化前處理通常會使工件表面發生塑性變形，從而影響工件的精度。

在公開號為CN1706982A的發明專利中公開了一種鋼鐵的低溫氣體滲氮方法。該方法包括工件前預處理和后期低溫氣體滲氮處理，前期預處理包括，在電鍍裝置的電鍍液中，將工件作為其中的一個電極，加載交流電源，對工件表面進行交流處理，爾后進行后期低溫氣體滲氮處理。在該方法中，前期電鍍預處理不僅容易造成嚴重的環境污染，而且工序復雜，滲氮層與基體件的結合力不足。

在上述常規離子滲氮技術和低溫氣體滲氮技術中，氣體介質的氣壓為200～1000Pa，使得滲氮工件的表面易污染。

發明內容

為克服現有技術中存在的不銹鋼滲氮表面耐腐蝕性能較差的不足，本發明提出了一種不銹鋼工件低溫低壓離子滲氮方法及其裝置。

本發明提出的不銹鋼工件低溫低壓離子滲氮方法的具體過程是：

步驟1、工件表面的預處理。所述工件的表面預處理包括對工件表面的機械預處理、工件表面除油和超聲清洗。

步驟2、滲氮處理。將工件放置在試樣平臺上，通過輔助陰極鈦板將工件完全覆蓋。將陰極輔助鈦板懸掛于真空室內且與工件表面有10～30mm間距；將輔助陰極鈦板與直流電源的負極連接。將滲氮真空室的氣壓抽至低于5Pa后，通入流量為20sccm的Ar氣和流量為80sccm的N₂氣并保持氣體流量恒定至滲氮處理結束。調節滲氮真空室氣壓至10～60Pa并保持恒定至滲氮處理結束。

滲氮開始后，調節直流電源電壓參數至200～400V，脈沖電源電壓參數至500～800V，脈沖頻率至10KHz，脈沖電源占空比至20%～100%并保持至滲氮處理結束。

當滲氮工件的滲氮溫度由室溫升至300～500℃開始保溫，保溫時間為6～48h，對工件進行滲氮。得到低溫低壓離子滲氮處理的不銹鋼工件。

本發明還提出了一種用于所述不銹鋼工件低溫低壓離子滲氮方法的裝置，包括絕緣掛桿、滲氮真空室、陰極輔助鈦板、直流電源、試樣平臺和脈沖電源。其中，絕緣掛桿、陰極輔助鈦板和試樣平臺均位于滲氮真空室內，并且試樣平臺安裝在滲氮真空室位于底座的通孔上，一端伸出所述滲氮真空室底座；所述試樣平臺與滲氮真空室的底座之間絕緣密封。絕緣掛桿安裝在滲氮真空室的頂板上，陰極輔助鈦板安裝在絕緣掛桿的下端。所述陰極輔助鈦板與試樣平臺的位置相互對應。在滲氮真空室底座上有進氣孔和抽氣孔。

所述絕緣掛桿的上端和下端均有掛孔，該掛孔的中心線垂直于所述絕緣掛桿的中心線。

本發明中，滲氮真空室能夠進行抽真空并保持恒定氣壓，試樣平臺能夠放置被滲氮不銹鋼，脈沖電源電源的負極接試樣平臺，直流電源的負極接陰極輔助鈦板，輔助陰極鈦板通過絕緣陶瓷掛桿懸掛在滲氮真空室中，被滲氮不銹鋼放置在試樣平臺，輔助鈦板與被滲氮保持合適的距離。

由于采取了上述技術方案，是本發明取得了以下有益效果：