专利名称：一种环保型富氮层快速渗氮方法
技术领域：
本发明涉及一种金属零件表面硬化处理工艺，更具体地说，本发明是一种环保型 富氮层快速渗氮处理方法。本发明
背景技术：
渗氮是指在一定温度下一定介质中使氮原子渗入零件表层的热处理工艺。传统的 渗氮是把零件放入密封容器中，通以流动的含氮气氛并加热，保温较长时间后，含氮气体热 分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入零件表层内，渗入钢中的氮一方面 由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化 物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可 使渗氮后的零件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀 能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。此外，渗氮是在钢的相变温度以下进行，不会影 响到钢基体内部的组织及性能，零件的变形也比较小，因此渗氮在机械制造业中得到广泛 的应用，常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。液体氮化的方法是将被处理工件，先除锈，脱脂，预热后再置于氮化坩埚内，被加 温到560 600°C处理数小时，氮原子扩散入a-Fe基体中使钢件更具耐疲劳性，但氮化层比 较薄，氮的浓度比较低。氮化期间由于主盐会分解消耗，所以不断要在8 12小时处理中 化验盐剂成份，以便调整加入新的盐剂，中性盐以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反应产物 有毒，不利于环境保护。气体渗氮可采用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段、三段)渗氮法。前者 是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480 520°C之间，氨 气分解率为15 30%，保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、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温 度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散，整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得 较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。离子渗氮是利用辉光放电原理进行的。把金属零件作为阴极放入通有含氮介质的 负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间等离子区强电场作用下，氮和 氢的正离子以高速向零件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热零件表面至所需温度。 由于离子的轰击，零件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂 渗入零件表面。离子渗氮可适当缩短渗氮时间至30小时，且不会污染环境。上述的渗氮工艺都存在渗氮速度慢和渗氮时间长的问题，短时间内很难达到比较 高的氮浓度，这些因素都制约着渗氮技术的推广，已成为渗氮技术应用的障碍。
发明内容
(一)发明目的本发明是在已有的离子渗氮的基础上进行了研究开发，其目的在于提供一种具有 较高氮浓度的富氮层快速渗氮处理方法，解决现有渗氮工艺中渗氮速度慢、渗氮时间长、零件畸变较大的问题。本发明的另一个目的是提供一种绿色环保型的快速渗氮处理方法。(二)技术方案为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。一种环保型富氮层快速氮化处理工艺，包括零件在离子氮化炉中的加热、保温、冷 却至某一温度、再加热、再保温、再冷却等反复几次后冷却至室温等工序。关键在于，所用的 渗氮方法为离子法。渗氮温度要在580°C以上停留1 30min，然后降低温度至400 560°C 并保温30 90min。所述的快速氮化处理工序包括如下步骤(1)将金属零件放入离子氮化炉中，(2)通入氨气或N2 H2为1 3的混合气体，保持气压在50 500Pa ；(3)以400 600°C /小时的升温速度加热至580 600°C，保温1 30min ；(4)以300 500°C /小时的平均速度冷却至400 560°C，保温30 90min，在
此温度下进行扩散处理。(5)重复进行步骤(3)和步骤(4) 2 12次，在最后一次重复步骤(3)和(4)后停 止加热并随炉冷却至50 100°C ；(6)关闭气体，将零件取出并在空气中冷却至室温。
(三)本发明的有益技术效果经上述工艺对工件进行富氮层快速氮化处理后其表面硬度、氮化层厚度和氮浓度 均优于处理时间相同的现有氮化工艺，渗氮层的厚度达到700微米，富氮层厚度达到10微 米，使得零件表面与基体处的氮浓度梯度提高了近20倍，比现有渗氮工艺可提高渗氮层厚 度 40% 60%。
图1是本发明的处理工艺曲线图。图中横坐标是渗氮时间，单位是分钟；纵坐标是渗氮温度，单位是摄氏度(°C )。
具体实施例方式下面结合附图对本发明所提出的技术方案作进一步阐述。本实施例为调质态40Cr钢的表面快速渗氮处理，所用的40Cr钢主要化学成分为 C 0. 37 0. 45 ；Si 0. 17 0. 37 ；Mn 0. 50 0. 80 ；Cr 0. 80 1. 10。富氮层快速渗氮工 序包括如下步骤(1)将准备好的40Cr钢试样置于离子热处理炉内的阴极工件台上，预抽真空至 1. 33Pa ；(2)通入氨气，并接通高压直流电起辉放电，气压维持在(270士30)Pa，开始对零 件加热；(3)调整电压，使温度以400 600°C /小时的速度升温至600°C，保温时间T1为 lOmin ；(4)以300 500°C /小时的平均速度冷却至550°C，并在保温550°C，T2总时间为 50min ；(5)重复T1和T2时间内工艺8次后关闭高压直流电源；(6)温度降低至100°C时，关闭氨气，将40Cr钢试样取出并在空气中冷却至室温。总渗氮时间是8小时，大大缩短了渗氮时间。快速渗氮后，测试渗氮层的厚度，其 渗氮层厚度达到700 u m，大大高于现有渗氮工艺的渗氮层厚度(450 y m左右)，试样渗层最 高硬度达到598HV，富氮层氮浓度达到1. 7%，使得零件表面与基体处的氮浓度梯度提高了 近20倍。
权利要求
一种环保型富氮层快速渗氮处理方法，包括被处理工件放进离子氮化炉内，通入含氮气体，开始加热、保温、冷却至某一温度、再加热、再保温、再冷却等反复几次交替后冷却至室温，工作压力为50～500Pa，工作电压为100～1000V。
2.根据权利要求1所述的环保型富氮层快速渗氮处理方法，其特征在于 环保型富氮层快速渗氮处理方法是采用离子法。
3.根据权利要求1所述的环保型富氮层快速渗氮处理方法，其特征在于 在进行渗氮处理时，通入氨气或N2 吐为1 3的混合气体。
4.根据权利要求1所述的环保型富氮层快速渗氮处理方法，其特征在于被处理零件放入离子氮化炉后，在第一周期快速氮化时，以每小时400 600°C的平均 速度加热至580 600 V，在此温度下进行快速离子氮化处理1 30min后，以每小时300 500°C的平均速度冷却至400 560°C，在此温度下进行扩散处理30 90min。
5.根据权利要求1所述的环保型富氮层快速渗氮处理方法，其特征在于重复权利要求4中的第一周期快速氮化2 12次，在最后一次重复第一周期快速氮化 后，将零件随炉冷却至50 100°C出炉。
全文摘要
本发明涉及一种环保型富氮层快速渗氮处理方法，由工件在通氨气或N2∶H2为1∶3的混合气体的离子氮化炉中的加热、保温、冷却至某一温度、再加热、再保温、再冷却等反复几次交替后冷却至室温组成。这种处理工艺能使渗氮层的厚度达到700微米，富氮层氮浓度达到1.7％，使得零件表面与基体处的氮浓度梯度提高了近20倍，比现有渗氮工艺可提高渗氮层厚度40％～60％，大大提高了渗氮零件的表面硬度，和渗氮层厚度相同的现有氮化工艺相比，处理时间可以缩短50％～80％。本发明是采用离子法，工艺过程不会对环境造成污染，节约水和电，工件变形也比较小，是一种环保型的快速渗氮处理方法。
文档编号C23C8/36GK101851736SQ20101010700
公开日2010年10月6日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者刘伟, 窦百香 申请人:刘伟;窦百香