专利名称：金属热处理氮化工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属表面热处理加工，尤其涉及钢铁零件及模具氮化热处理工艺。
背景技术：
热处理氮化是钢铁在520°C 570°C的温度条件下，在氨气+氮气或氨气+甲醇+ 氮气气氛中氮化和软氮化。近年来，在氮化和软氮化工艺上，有多种实施方式例如说预先 抽真空后充氨气，或氨气+甲醇氮化处理工艺；还有在先低真空加热，后脉冲充氨气进行氮 化等工艺。现有的硬氮化技术，周期一般在24 28小时，氮化层达到0. 2 0. 3mm，渗氮过 程中，氮势不易控制，由于氮势过高而形成脆相，导致机械零件的性能下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种金属热处理氮化工艺，不仅能减少工艺时间， 而且钢铁经处理后可稳定地得到良好的氮化层组织，具有较佳的韧性和硬度。本发明采用以下技术方案一种金属热处理氮化工艺，其特征是在渗氮前先进行预氧化，使金属表面形成均 勻的氧化膜，包括如下步骤(1)对炉罐抽真空；(2)充氮气，均勻加热至520_570°C ；(3)在氮气气氛下充氧气。优选地，充氧气后气体成分为20%氧气和80%氮气。本发明在氮化前，进行了预氧化处理，使金属表层形成了一层均勻的活性氧化膜。 实际生产表明，在普通氮化过程中，时有在氮化中渗不进氮的现象。其原因就是在初始时， 金属表面没有形成能吸附活性氮的核。在氮化的渗氮过程中，活性氮原子吸附在金属的表 面，达到一定的势垒后才能跃过金属的表面向金属内部扩散。而金属表面的活性氧化膜，则 是初始活性氮原子吸附的核，使活性氮能较高效率地吸附在金属的表面，加快了氮化的速 度。因此当金属表面形成活性氧化膜后，氮化过程的演变是非常稳定的。优选地，渗氮过程为充入包括氨气和氮气的混合气体，分两个阶段，第一阶段中氨 气和氮气比例为1 1，第二阶段中氨气和氮气比例为1 3。优选地，所述渗氮过程的充气方式为脉冲式充气，每次充气前预先抽真空，以排除 已分解的气体。每次脉冲循环，都是在真空状态下将定量的氨气_氮气稳定送入炉内。由 于在传统的注入-排气工艺中，还没有完全排除残留气体，就补充新的气体进去，新旧气体 无序混合，使得氨气在炉内分解过程中，氨分解率难以控制，导致气氛氮势不衡定，过高和 过低的氨分解率都影响氮化的渗入速度和渗氮层的质量，因此不仅耗时长，而且效果不佳。 而在本发明中，每次充气前都是真空状态，这样通过排空已反应后的气氛，输入新的气体的 周期时间(脉冲宽度)，调节输入气体量，控制了炉内的氨分解率，达到控制分解的活性氮 的含量，以保持相对恒定的氮势比例。
优选地，炉罐内的温度是均勻的。随时保持零件或模具在均勻温度条件下，使其一 直处于循环流动的气氛当中。这样一来，无论是加热或冷却传导，都能控制零件或模具在氮 化处理过程中的形变，同时保证零件和模具在同一温度条件下，渗入金属的氮原子具有相 同的扩散速率，使氮化层深结构组织均勻分布。本发明具有氮化工件及模具渗速快、无盲孔深孔效应、氮化气氛极易控制的有益 效果，质量稳定，脆性可达到0级。相对应普通气体氮化工艺，本发明缩短加工周期，简化了 工艺，节约了能源，提高了产品质量。
具体实施例方式本发明通过以下步骤实施(1)工件或模具预抽低真空< IOOMPa ；(2)(排除影响氮化的气体后)充以纯氮气，在循环流动的氮气气氛中均勻加热至 520-570 0C ；(3)充以氧气，使金属表面预先形成均勻的活性氧化膜；(4)渗氮第一阶段，以1 1 (可调)的氨气_氮气比例进行真空脉冲式充气_抽 气渗氮；(5)渗氮第二阶段，以1 3(可调)的氨气_氮气比例进行真空脉冲式充气-抽 气渗氮；(6)氮化过程结束后抽低真空< lOOMPa，在氮气气氛中强制冷却，冷却速度 彡IO0C /分钟；(7)冷却至低于100°C出炉。与现有技术相比，本发明在渗氮前增加了活性预氧化工艺。实际生产表明，在普通 氮化过程中，时有在氮化中渗不进氮的现象。其原因就是在初始时，金属表面没有形成活性 氮原子能吸附的核。在氮化的渗氮过程中，活性氮原子要吸附在金属的表面，达到一定的 势垒后才能跃过金属的表面向金属内部扩散。而金属表面的活性氧化膜，则是初始活性氮 原子吸附的核，使活性氮能较高效率地吸附在金属的表面，加快了氮化的速度。因此当金 属表面形成活性氧化膜后，氮化过程演变是非常稳定的。活性氧化膜的形成不同于一般氧 化膜，在常温和较低温度下形成的氧化膜，在渗氮过程中该氧化膜不具有“活性”的属性，它 很少或几乎没有吸附活性氮原子的作用。在抽真空后的高温条件下(优选的温度条件为 5400C )，充入纯氮气，在氮气保护下，充入氧气，此过程与金属表面形成的氧化膜，才能生成 “活性”的氧化膜，达到氧化膜催化氮化进程的目的。预氧化时，这两种气体的比例为20% 的氧气和80%的氮气。在氮化处理过程中，充入的气体为一定的氨气和氮气，具体比例视不同钢种、不同 阶段情况而定。在本实施例中，氮化过程分两阶段，第一阶段氨气-氮气比例为1 1，第二 阶段氨气-氮气比例为1 3。冲入方式为可调脉冲式，通过设置频率或调整充气时间来达 到调整脉冲宽度。需要保证的是每一次充入新气体前，炉内呈真空状态。这样给入的气氛是 常量，在氨气_氮气分解过程中的条件一致，使氨气的分解率稳定，氮势稳定，渗氮速度快， 能达到理想的渗氮层，氮化时间大大缩短。依“真空_脉冲式充气_真空-脉冲式充气”循 环作业，可得到稳定的氮化组织，脆性0级，节约了能源、工效，提高了产品质量。
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其中，渗氮过程中氨气和氮气的比例、充气时间、冲入量、冷却速度等都与材料属 性有关。无论是预氧化过程还是氮化过程，都需保持炉灌内的气体循环流动。升温过程，在 气体强对流热传导条件下金属零件才可被均勻加热；预氧化时，零件表面短时间能均勻形 成活性氧化膜；氮化时，强搅拌对流气体，可保证炉内的温度时时刻刻均勻，使炉内零件在 同一温度中渗氮。在本实施例中，在炉内设置大流量风扇，充气后，风扇转动，流动炉内气 体；抽真空时，风扇停止工作。无论是加热或冷却传导，都能控制零件或模具在氮化处理过 程中的温差形变。同时，零件和模具在相同温度下渗氮，使氮化层深浅、组织均勻。通常，零件或模具的结构若存在盲孔，旧气体滞留在孔中，直接会影响新气体的进 入，因此在本发明中的“真空_脉冲式充气_真空-脉冲式充气”周期中，能强制帮助这些 旧气体的排出，引入新气体，使盲孔处的渗氮条件与非盲孔一致。解决了盲孔深盲孔氮化层 不均勻的问题。
权利要求
一种金属热处理氮化工艺，其特征是在渗氮前先进行预氧化，使金属表面形成均匀的氧化膜，包括如下步骤(1)对炉罐抽真空；(2)充氮气，均匀加热至520-570℃；(3)在氮气气氛下充氧气。
2.根据权利要求1所述的金属热处理氮化工艺，其特征是充氧气后气体成分为20% 氧气和80%氮气。
3.根据权利要求2所述的金属热处理氮化工艺，其特征是渗氮过程为充入包括氨气 和氮气的混合气体，分两个阶段，第一阶段中氨气和氮气比例为1 1，第二阶段中氨气和 氮气比例为1 3。
4.根据权利要求3所述的金属热处理氮化工艺，其特征是所述渗氮过程的充气方式 为脉冲式充气，每次充气前先抽真空。
5.根据权利要求4所述的金属热处理氮化工艺，其特征是炉罐内的温度是均勻的。
全文摘要
本发明公开了一种金属热处理氮化工艺，其特征是在渗氮前先进行预氧化，使金属表面形成均匀的氧化膜，包括如下步骤(1)对炉罐抽真空；(2)充氮气，均匀加热至520-570℃；(3)在氮气气氛下充氧气。本发明在氮化前，进行了预氧化处理，使金属表层形成了一层均匀的活性氧化膜。金属表面的活性氧化膜，是初始活性氮原子吸附的核，使活性氮能较高效率地吸附在金属的表面，加快了氮化的速度。因此当金属表面形成活性氧化膜后，氮化过程演变是非常稳定的。
文档编号C23C8/34GK101886241SQ20091005126
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者姚一平, 张绍贻, 徐纲 申请人:上海纳铁福传动轴有限公司