[發(fā)明專利]一種金屬工件的低溫氣體快速滲氮復(fù)合處理工藝

有效

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• 申請日: 2013-06-26
• 公開（公告）號: CN103334077A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張小聰;陳國輝;晉俊超;馮志軍
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州市機電工業(yè)研究所
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 譚英強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料的表面化學(xué)熱處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬工件低溫氣體快速滲氮復(fù)合處理工藝。

背景技術(shù)

金屬工件滲氮后，表面硬度高，且表層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高了工件的耐磨性和抗疲勞強度，改善抗擦傷性能和耐腐蝕性能。

現(xiàn)有滲氮處理技術(shù)包括普通滲氮和離子滲氮，前者又分為固體滲氮、液體滲氮和氣體滲氮等工藝，其中氣體滲氮以易于操作、工藝穩(wěn)定在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的氣體滲氮工藝是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。常見的工藝有兩段滲氮法等，即第一階段升溫至480~530℃，保溫15~20h；第二階段將滲氮溫度提高到550~560℃，保溫25~30h。

傳統(tǒng)氣體滲氮周期長，處理溫度至少高達500～550℃，致使工件基體硬度降低，整體力學(xué)性能下降；對于精密零部件，長時間高溫的滲氮處理，工件的變形也難以得到有效的控制。

為此，人們進行了長期的探索，提出了各種各樣的解決方案。例如后期發(fā)展的離子滲氮工藝，可以適當(dāng)降低滲氮溫度，甚至低至450℃，于真空室內(nèi)（133~1330Pa），工件（陰極）與陽極之間通高壓（400~1100V）電，使真空中的氨（或氮、氫混合氣體）電離，并在工件周圍產(chǎn)生輝光放電，氮離子沖擊工件表面，富集于工件（高溫）表面成FeN，分解后滲入。

上述方案在一定程度上發(fā)展了滲氮工藝，但離子滲氮的滲層淺，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零部件難以保證滲層均勻一致，且設(shè)備復(fù)雜、初期投資大，其大范圍的推廣應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于一種金屬工件的低溫氣體快速滲氮復(fù)合處理工藝。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種低溫氣體快速滲氮復(fù)合處理工藝，包括以下步驟：

1）將金屬工件清洗、風(fēng)干，置于反應(yīng)爐中，打開排氣口，爐溫升至360～420℃，同時通入CO₂和氨氣排除爐內(nèi)氧氣，該溫度下保溫0.5～1.5?h。?

2）升爐溫至滲氮溫度，關(guān)閉排氣口，爐壓控制在2.94～7.84?KPa，繼續(xù)通入CO₂和氨氣，保溫18～22h后，停止通入CO₂和氨氣，滴加甲醇和甲酰胺混合溶液，繼續(xù)保溫1～5h；

3）停止滴加混合溶液，停止加熱，通氨氣，爐冷至300℃以下，停止通氨氣，出爐。

步驟1）CO₂?流量為45～60?Nm³/h，氨氣流量為900～1200?Nm³/h。此步驟目的是在較低溫度下通入過量的CO₂和氨氣，快速的排出爐內(nèi)原有氣氛，較低的爐溫使金屬工件表層不至于過早的形成白層，同時此步驟還起到預(yù)熱金屬工件作用，縮短工件均溫時間。

步驟2）滲氮溫度為430～510℃。此溫度比傳統(tǒng)氣體滲氮溫度低50~100℃，金屬工件經(jīng)低溫氣體快速滲氮復(fù)合處理后基體硬度下降幅度縮小甚至不下降。

步驟2）CO₂流量調(diào)整為23～43Nm³/h，氨氣流量調(diào)整為450～850Nm³/h。此步驟在強滲階段調(diào)整CO₂和氨氣的流量，獲得最佳的[N]原子滲入速度，使金屬工件在較低的滲氮溫度下短時間內(nèi)獲得高濃度[N]原子的表層組織。

步驟2）甲醇和甲酰氨混合溶液的滴加速度為1.7～2.5cm³/min。

步驟2）所述甲醇和甲酰氨混合溶液中，甲醇和甲酰胺的體積比為1～2：1。甲醇和甲酰胺在430~510℃下分解出大量的氫氣，爐內(nèi)氣氛中[N]原子濃度短時間大幅度下降，金屬工件退氮速度快，表層脆性好；同時爐內(nèi)氣氛含有少量的[C]原子，在滲層表面形成由ε-Fe(C,N)和γ-Fe4N組成的化合物。

金屬工件為機械制造結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹耐蝕鋼、鑄鐵等。

所述反應(yīng)爐為RQ-105-9D型滴控井式多用爐。

本發(fā)明快速滲氮技術(shù)原理為：

本發(fā)明采用通入CO₂和氨氣共滲，CO₂起催滲效應(yīng)，原理如下：

NH₃?[N]+1.5H₂?????????????????????????（1）