一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及材料表面处理领域，具体为一种利用氮弧原位冶金预铺设氮化物实现 钢表面增氮的方法，适用于低碳钢、低合金钢、不诱钢等表面的高强耐蚀化处理。
【背景技术】
[0002] 常用表面的增氮方法有气体渗氮和离子渗氮。
[0003] 气体渗氮可采用一般渗氮法（即等溫渗氮)或多段(二段、Ξ段)渗氮法。前者是在 整个渗氮过程中渗氮溫度和氨气分解率保持不变。溫度一般在480~520°C之间，氨气分解 率为15~30%，保溫时间近80小时。运种工艺适用于渗层浅、崎变要求严、硬度要求高的零 件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同溫度、不同氨 分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可W缩短到近50小时，能获得较深的渗 层，但运样渗氮溫度较高，崎变较大。
[0004] 离子渗氮是利用辉光放电原理进行的。与一般的气体渗氮相比，离子渗氮其特点 是:①可适当缩短渗氮周期;②渗氮层脆性小;③可节约能源和氨的消耗量;④对不需要渗 氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮;⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面纯化 膜，可使不诱钢、耐热钢工件直接渗氮;⑥渗层厚度和组织可W控制。但是其设备控制复杂， 炉溫的均匀性不好。
[0005] 综上可知，常用的运两种渗氮方法，渗氮前需要预备热处理调质和预备热处理去 应力处理，同时渗氮零件的表面粗糖度Ra应小于1.6um等等限制。渗氮处理工艺的周期长、 渗氮层薄、溫度控制要求严、对零件的表面预处理要求严格、设备控制复杂。两种气体渗氮 方法都需要在密闭的环境中进行，且耗时长，渗氮层薄、增氮量低、增氮层成分不可调。
[0006] 其他表面处理技术，如传统热喷涂、喷焊W及堆焊也可用于材料表面的增氮处理。 表面热喷涂增氮法属于氮化物陶瓷喷涂技术，并不是冶金结合，同时热喷涂法对基材表面 的预处理要求比较高，需要进行粗化处理，且对喷涂粉的颗粒直径要求比较高。传统的喷焊 技术可W使粉末或焊丝，能够与母材形成冶金结合，但是喷焊层的稀释率高，一般约5%~ 10%，且需要预热处理，喷焊材料的烙点要求比基体烙点低，同时，在喷焊过程中，喷焊的高 氮层的成分不可调。堆焊一般用焊丝，堆焊层成分只能是焊丝成分，堆焊层成分不可设计， 即用堆焊方法对钢表面进行增氮处理，所获得的增氮层的成分不可设计。
[0007] 中国专利（201310398151.2)公开了一种使用高速氧燃料热喷涂和等离子渗氮用 于模具补整和修复的方法及系统。所获得的增氮层成分不可设计、厚度薄，且对合金粉末颗 粒直径要求严格。中国专利(201110309131.4)设及一种基于零件再制造修复的反应氮弧烙 覆耐磨涂层制备工艺。将调制的浆料涂覆在零件表面烘干后，用氮弧烙敷，浆料中不含氮元 素，仅靠氮弧增氮效果不明显，且烘干需要时间，若没有完全烘干可能会引起氨致裂纹。而 本发明直接将氮化物合金粉末铺设在待处理的钢表面上，采用氮弧原位冶金，不需要增加 烘干工艺，且采用了氮化物和氮弧联合增氮技术，增氮效果明显且耗时短。中国专利 (201310650075.X)公开了一种用等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法，具体为通过真空 净化充高压氮气条件用等离子弧加氮烙炼钢巧，而本发明不需要加真空，且增氮量远远超 过用等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供了一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方 法及其装置，
[0009] 本发明一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法及其装置的技术 方案为：
[0010] -种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法，其包括步骤如下：
[0011] 步骤1，通过目标高氮钢层的目标合金成分，确定铁元素含量听e % ;选择低碳钢作 为母材；
[0012] 根据高氮钢层的目标合金成分，确定所需的作为铺粉原料的合金粉末中合金元素 i的含量Wif %比，经修正关系式Wif修正％ a Wif % X (1+μL+ξ)修正后得到粉末中合金元素 i 含量的修正值Wif修正％，并配制合金粉末;其中μL为烧损系数，μL = 0.2%~5%，ξ为散射飞 瓣损失系数，ξ = 2%~8% ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；
[0013] 步骤2,根据目标高氮钢层中除铁元素之外的合金元素 i的含量Wi%与铁元素含量 的关系?!
得到所有合金元素与铁元素的成分比α:0;确定单位面积上 合金粉末质量mii;键妹与单位面积上烙入烙池的钢母材质量雌趣?比为α: β;
[0014] 步骤3,根据妹:11?郵|·=α:β，可得高氮钢层烙合比
：.确定烙入高氮钢 层的铁基材的厚度h = BXW，B为目标高氮钢层的厚度；确定合金粉末层厚度Hf，其满足
;1(为合金粉末层烙化凝固成固体块的厚度减少系数，Κ = 0.4-0.9;
[0015] 步骤4,启动焊接装置，采用焊接电流I和焊接速率V，采用厚度为h的低碳钢母材， 厚度为Hf的合金粉末，进行堆焊，最终获得目标厚度的高氮钢层。
[0016] 进一步的，焊接电流选择I为80A~200A;
[0017] 焊接速率V，选择V为3mm/min~16mm/min;采用10 % Ar+90 %化混合气作为焊接保 护气，气流速率为lOL/min~35L/min。
[0018] 为使上述方法能够顺利进行，避免保护气吹散钢表面预铺置的氮化物合金粉末， 本发明对非烙化极气体保护焊枪喷嘴结构进行了改进设计。
[0019] -非烙化极气体保护焊枪;所述的非烙化极气体保护焊枪喷嘴为半面缺口式结 构，所述的缺口背对焊接方向；
[0020] 所述的非烙化极气体保护焊枪的喷嘴内壁连有限流隔板;所述的限流隔板3由两 块上底边重合的梯形板拼合。
[0021] 所述的喷嘴出口半径r为5-8mm。
[0022] 所述的梯形板上底为2-5mm，下底为8-lOmm。
[0023] 所述的梯形板上底边距喷嘴距离为30-50mm，梯形板下底距喷嘴口距离为4-8mm。
[0024] 本发明与现有技术相比具有W下显著优点：
[0025] 1、本发明提供的方法可W在短时间内实现钢表面增氮并高氮钢化，获得的增氮层 厚度可达几毫米甚至厘米级，且增氮层成分可设计；
[0026] 2、通过外加铁粉和钢基材联合添加铁元素时，调节合金粉末中铁粉的含量可W控 制钢基体烙入高氮钢层的厚度。即钢基体烙入高氮钢层的厚度可调；
[0027] 3、采用带限流隔板的半面缺口式喷嘴，可有效控制保护气流向，避免预铺置的合 金粉末被吹散；
[00%] 4、本发明提供的方法不仅实现了钢表面增氮效果，还可W添加其他有益合金元 素，实现钢表面高氮钢化，所获得的增氮层具有良好的高强耐蚀性能。获得的增氮层与钢基 体之间是冶金结合，结合强度高。
【附图说明】
[0029] 图1为氮弧原位冶金预铺置氮化物实现钢表面增氮的方法的装置结构示意图；
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