一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及材料表面处理领域，具体为一种采用氮弧和氮化物原位冶金增氮实现 钢表面快速高氮钢化的装置及其方法。
【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、=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] 对于其他表面处理技术，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。
[0007] 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。
[000引中国专利（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，需要加真空，制备条件苛刻，且最终的增氮 量低。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供了一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装 置及其方法。
[0010] -种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，包括：
[0011] -非烙化极气体保护焊枪；
[0012] -双通同轴气粉传送装置，其内设有与非烙化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉 罩，螺旋气粉罩内开有与非烙化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹；
[0013] 气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩外设有与螺旋气粉罩外壁相切的两个送粉送气 通道；
[0014] 所述的送粉送气通道分别开有送气口与送粉口；所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺 旋气粉槽。
[0015] 螺旋气粉槽为变螺线-变螺距-变截面结构，螺旋气粉槽包括双螺旋槽、大截面单 螺旋槽、小截面单螺旋槽，所述的槽为半圆槽;螺旋气粉槽顶端靠近气粉通道入口处为双螺 旋结构的双螺旋槽，槽直径为4mm~7mm，且所述的双螺旋结构至少有=圈；
[0016] 两个气粉通道连通两相邻的双螺旋槽；
[0017] 与双螺旋槽相连的为大截面单螺旋槽，槽直径为7mm~12mm;槽宽增大W保证氮化 物合金粉末与铁粉充分混合均匀，与大截面单螺旋槽相连的为小截面单螺旋槽，槽直径为 4mm ~7mm。
[0018] 螺旋气粉槽从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽螺纹升角为0° ~60%螺旋气粉槽在螺旋气粉罩出口的螺纹升角为0°~5°。
[0019] 螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。
[0020] 如上所述的送粉口和送气口上分别装有送粉调速器和气体流量计。
[0021] 如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中屯、。
[0022] 如上所述的非烙化极气体保护焊枪外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹，所述的非 烙化极气体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。
[0023] 本发明还提供一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的方法，包括步骤 如下：
[0024] 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% ;确定铁粉作为 第一送气送粉通道的送粉原料；
[0025] 根据目标高氮钢层的目标合金成分，确定第二送气送粉通道的送粉原料，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+山+〇修正后得到粉末 中合金元素 i含量的修正值Wif修正％ ;其中W为烧损系数，W = 0.2%~5%，C为散射飞瓣损 失系数，1 = 2%~8%;所述的第二送气送粉通道的送粉原料的合金粉末中的合金元素 i不 为铁。
[0026] 步骤2,根据目标高氮钢中除铁元素之外的合金元素 i的含量Wi%与铁元素含量的 关系式^ W/% : Wk"% ^ a:片得到所有合金元素与铁元素的成分比a: e;确定送入烙池的合 二 1 金粉末质量1111^^鋪味与铁粉的质量唯^比为〇 : 0，设进入烙池中的合金粉末质量11^金1妹=Vf X A t，设进入烙池的铁粉质量唯M=VFe X A t，其中Vf为合金粉末送粉速率，单位为g/min ; VFe为 添加铁粉速率，单位为g/min; A t为时间，单位为min;
[0027] 步骤3,根据公式妹:雌?=(Vf X A t): (VFeX A t)=a:0，确定合金粉末送粉速 率Vf与添加铁粉速率VFe参数匹配关系，Vf : VFe = a : 0 ;
[0028] 步骤4,选取合适的焊接电流大小I为80A~200A;选取添加铁粉速率VFe为20g/min ~150g/min;通过公式Vf: VFe = a: 0，确定合金粉末送粉速率Vf;
[0029] 步骤5,启动焊接装置，调整焊枪到的所需处理钢的表面距离8-15mm，采用焊接电 流I，合金粉末送粉速率Vf，送气速率为V气1，添加铁粉速率VFe，送气速率为V气2，在非烙化极 气体保护焊枪通过10%Ar和90%化混合气，调节其速率为V气，进行焊接，对钢表面进行原位 冶金增氮处理。
[0030] 进一步的，焊接速率V为3~16mm/min，。
[003。 进一步的，送气速率为V气1，送气速率为V气2;送气速率为V气3,满足V气1 - V气2 - V气3 = 15~40L/min。
[0032] 本发明与现有技术相比具有如下显著优点：
[0033] 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；
[0034] 2、本发明提供的装置在双通同轴螺旋气粉罩靠近气粉通道口处的螺旋槽为双螺 旋结构，可有效防止粉末堵塞通道口；中部大截面单螺旋结构槽有助于两种气粉流的充分 混合;变螺距、变螺旋升角有助于气粉流的均匀混合。
[0035] 3、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。
[0036] 4、本发明采用氮弧和氮化物合金联合原位冶金增氮技术，操作简单，可W通过调 节电流大小和焊枪移动速度灵活调节增氮层厚度。对不需增氮的地方也不需要采取保护措 施，可实现局部增氮。
【附图说明】
[0037] 图1为氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮装置的示意图；
[0038] 图2为双通同轴螺旋气粉罩的纵向剖视图；
[0039] 图3为氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮装置的截面A-A的剖视图；
[0040] 其中，1为第一送气口，2第一送粉口，3为双通同轴螺旋气粉罩，4第二送气口，5为 第二送粉口，6为螺旋气粉槽，7为非烙化极气体保护焊枪；
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种采用氮弧和氮化物复合原位冶 金实现钢表面增氮的方法进一步描述。
[0042] 本发明采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，包括：
[0043] -非烙化极气体保护焊枪7 ;
[0044] -双通同轴传送装置，其内设有与非烙化极气体保护焊枪3同轴的