基于复合渗氮金属表面基的原位生长表面热处理工艺的制作方法

本公开涉及热处理技术领域，尤其涉及一种基于复合渗氮金属表面基的原位生长表面热处理工艺。

背景技术：

现行广泛采用的民用建筑和工业用工件多为碳素钢工件和不锈钢工件。碳素钢工件极易腐蚀和磨损，使用寿命短，而不锈钢工件表面粘性大，耐磨性能不佳。

为了解决上述问题，相关技术中采用工件表面防腐耐磨处理技术，如采用铬锌电镀层，达克罗涂层(锌铝涂层)、锌镍共渗涂层、热浸锌涂层、镀钛银油漆涂层等表面处理工艺，但是目前的工艺处理后的零部件存在涂镀层与基体结合力较低，涂层易脱落、防腐耐磨性能较差、表面硬度不高、耐冲击、耐冲刷性能低等问题。因此，有必要提供一种新的表面热处理技术方案改善上述方案中存在的一个或者多个问题。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种基于复合渗氮金属表面基的原位生长表面热处理工艺，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本公开实施例提供一种基于复合渗氮金属表面基的原位生长表面热处理工艺，包括：

对待处理的工件进行液体离子复合渗氮处理，以在工件表面形成防腐耐磨的化合物层组织；其中该化合物层组织包括氮化物组织、碳化物组织和氧化物组织；

对渗氮处理后的工件进行锌镍氮氧原位复合生长处理，以在工件表面形成防腐、耐磨以及耐冲击渗层。

本公开的实施例中，所述对待处理的工件进行液体离子复合渗氮处理，包括：

对工件内外表面进行除油、清洗、干燥预处理；

预处理后的工件放置在电阻加热炉中预热，预热温度为200～450℃，时间为10～100分钟；

预热后的工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热均匀保温，保温温度为400～600℃，时间为10～120分钟；

保温后工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中进行液体离子氮化处理，温度为500～650℃，时间为10～120分钟，以形成防腐耐磨的化合物层组织,该化合物层达到1～3级。

本公开的实施例中，还包括：

对所述工件进行二次液体离子氮化处理，所述工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中进行液体离子氮化处理，温度为500～650℃，时间为10～120分钟，以形成防腐耐磨的化合物层组织，该化合物层达到3～6级。

本公开的实施例中，还包括：

氮化处理后的工件在氧化炉中加热氧化处理，温度为300～450℃，时间为10～120分钟，以在工件表面形成防腐耐磨的氧化物组织。

本公开的实施例中，还包括：

对氧化处理后的所述工件进行钝化处理，温度为200～400℃，时间为10～30分钟。

本公开的实施例中，所述对渗氮处理后的工件进行锌镍氮氧原位复合生长处理，包括：

对工件进行超声波清洗、烘干处理；

将处理后的工件放入锌镍氮氧原位复合生长处理炉内，按照镍粉、锌粉的重量份比例为1∶10加入镍粉和锌粉渗剂，盖上炉盖密封；

在锌镍氮氧原位复合生长处理炉内进行锌镍氮氧原位复合生长处理以在工件表面形成镍铁化合物层组织。

本公开的实施例中，还包括：

加入镍粉和锌粉渗剂并盖上炉盖后搅拌7～12分钟；

搅拌后将锌镍氮氧原位复合生长处理炉内抽真空，并保压10～30秒。

本公开的实施例中，所述在锌镍氮氧原位复合生长处理炉内进行锌镍氮氧原位复合生长处理，包括：

将锌镍氮氧原位复合生长处理炉的炉体一边滚动一边加热，使炉温在1至2小时内升温到400～550±10℃；

在400～550℃温度保温、保压5～6小时；

继续转动炉体并将炉温降低到50～70℃，取出工件。

本公开的实施例中，在炉温的升温过程中，对炉内抽真空2～3次。

本公开的实施例中，经该工艺处理后的工件表面最终的防腐耐磨层由表及里依次包括锌镍层、锌镍氮氧层、锌镍氮层和氮化物扩散层；其中，锌镍层至少包括锌和镍；锌镍氮氧层至少包括锌、镍、fe2n、fe3n、fe4n和fe3o4组织；锌镍氮层至少包括锌、镍、fe2n、fe3n和fe4n组织；氮化物扩散层至少包括fe2n和fe3n组织。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开实施例中，该工艺处理后的工件表面渗层与基体结合力较高，不易脱落，工件防腐耐磨性能较好，表面硬度高，且耐冲击耐冲刷性能较高。相对于现有工艺，本公开工艺处理后的工件表面具有较好的耐腐蚀性能、耐磨损性能、耐烧蚀性能、耐冲击性能和耐候性能，可以替代和提升现有的达克罗、锌镍共渗涂层、热渗锌、镀钛银油漆涂层等表面处理工艺。

附图说明

图1示出本公开实施例中基于复合渗氮金属表面基的原位生长表面热处理工艺流程图；

图2示出普通锌镍共渗处理后工件渗层显微金相组织图；

图3示出本公开实施例工艺处理后工件表面渗层显微金相组织图；

图4示出本公开示例性实施例中工件耐冲击性试验视频截图；

图5示出本公开示例性实施例中工件耐冲击性试验另一视频截图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本公开涉及黑色金属和不锈钢等表面改性技术或表面热处理技术，具体涉及一种基于复合渗氮强化工件金属基表面的锌镍氮氧原位复合生长技术工艺。本发明实施例提供的技术工艺可以替代和提升现有的达克罗、锌镍共渗涂层、热渗锌、镀钛银油漆涂层等表面处理工艺。

参考图1中所示，本公开实施例提供一种基于复合渗氮金属表面基的原位生长表面热处理工艺，该工艺包括以下步骤：

步骤s101：对待处理的工件进行液体离子复合渗氮处理，以在工件表面形成防腐耐磨的化合物层组织；其中该化合物层组织包括氮化物组织、氧化物组织和碳化物组织。这样可使工件具有较高的渗层硬度。

步骤s102：对渗氮处理后的工件进行锌镍氮氧原位复合生长处理，以在工件表面形成防腐耐磨层。进一步可形成具有防腐耐磨和耐冲刷、耐冲击渗层。

本公开实施例工艺处理后的工件表面渗层与基体结合力较高，不易脱落，工件防腐耐磨性能较好，表面硬度高，且耐冲击、耐冲刷性能较高。

具体的，在本公开的实施例中，步骤s101中对待处理的工件进行液体离子复合渗氮处理具体可以包括以下步骤201～204：

步骤201：对工件内外表面进行除油、清洗、干燥预处理；

步骤202：预处理后的工件放置在电阻加热炉中预热，预热温度为200～450℃，时间为10～100分钟；

步骤203：预热后的工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热均匀保温，保温温度为400～600℃，时间为10～120分钟；

步骤204：保温后工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中进行液体离子氮化处理，温度为500～650℃，时间为10～120分钟，以形成防腐耐磨的化合物层组织，该化合物层达到1～3级。

在本公开的实施例中，步骤204之后还可以包括二次氮化步骤：对所述工件进行二次液体离子氮化处理，所述工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中进行液体离子氮化处理，温度为500～650℃，时间为10～120分钟，以形成防腐耐磨的化合物层组织，该化合物层达到3～6级。

在本公开的实施例中，还可以包括氧化处理步骤：氮化处理后的工件在氧化炉中加热氧化处理，温度为300～450℃，时间为10～120分钟，以在工件表面形成防腐耐磨性较好的氧化物组织如fe3o4组织等。

在本公开的实施例中，还可以包括钝化处理步骤：对氧化处理后的所述工件进行钝化处理，温度为200～400℃，时间为10～30分钟。

本公开的实施例中，步骤s102中对渗氮处理后的工件进行锌镍氮氧原位复合生长处理具体可以包括以下步骤301～303：

步骤301：对工件进行超声波清洗、烘干处理；

步骤302：将处理后的工件放入锌镍氮氧原位复合生长处理炉内，按照镍粉、锌粉的重量份比例为1∶10加入镍粉和锌粉渗剂，盖上炉盖密封；

步骤303：在锌镍氮氧原位复合生长处理炉内进行锌镍氮氧原位复合生长处理以在工件表面形成镍铁化合物层组织。

在本公开的一实施例中，步骤302之后还可包括下述步骤：

i)加入镍粉和锌粉渗剂并盖上炉盖后搅拌7～12分钟；

ii)搅拌后将锌镍氮氧原位复合生长处理炉内抽真空，并保压10～30秒。

此过程的目的是让锌镍混合粉较好地被吸入渗氮金属工件表面的缝隙里，使锌镍渗层在工件基体的缝隙里原位生根，并由里到外复合生长，从而保证渗层质量，进一步提高防腐耐磨性能。

在本公开的实施例中，步骤303中在锌镍氮氧原位复合生长处理炉内进行锌镍氮氧原位复合生长处理具体可以包括下述步骤a～c：

a)将锌镍氮氧原位复合生长处理炉的炉体一边滚动一边加热，使炉温在1至2小时内升温到400～550±10℃；

在一实施例中，可选的，在炉温的升温过程中，可对炉内抽真空2～3次。

b)在400～550℃温度保温、保压5～6小时；

c)继续转动炉体并将炉温降低到50～70℃，取出工件。

本公开的实施例中，经该工艺处理后的工件表面最终的防腐耐磨层由表及里依次包括锌镍层、锌镍氮氧层、锌镍氮层和氮化物扩散层；其中，锌镍层至少包括锌和镍；锌镍氮氧层至少包括锌、镍、fe2n、fe3n、fe4n和fe3o4组织；锌镍氮层至少包括锌、镍、fe2n、fe3n和fe4n组织；氮化物扩散层至少包括fe2n和fe3n组织。

本公开实施例提供的处理工艺先对工件进行液体离子复合渗氮强化处理，使工件表面形成防腐耐磨性能较好的fe2n、fe3n、、fe4n、fe3c、fe3o4等化合物层组织。然后将液体离子复合渗氮强化处理后的工件在锌镍氮氧原位复合生长处理炉中进行锌镍氮氧原位复合生长处理，使工件表面形成具有较高的耐腐蚀性能、耐磨损性能、耐冲击性能的防腐耐磨耐冲击渗层，渗层厚度可以为10～100μm。该渗层可以含有防腐耐磨性较好的fe2n、fe3n、、fe4n等氮化物组织、fe3c等碳化物组织、fe3o4等氧化物组织。

需要说明的是，本发明同样适合于表面基为渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、淬火处理、调质处理等表面处理状态的原位生长。

本发明实施例提供的处理工艺可以克服现有工件存在的涂镀层与基体结合力较低，涂层易脱落、防腐耐磨性能较差、表面硬度不高、耐冲击、耐冲刷性能低等问题。

实施例1

第一步、对工件进行液体离子复合渗氮处理，具体可包括下述步骤：

1)工件内外表面进行除油、清洗、干燥处理；外表面进行抛丸、抛光处理；

2)工件预热处理，将工件放置在电阻加热炉中预热，预热温度为200～450℃，时间为10～100min；

3)工件均热化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热均匀保温，进行工件均热化处理，温度为400～600℃，时间10～120min；

4)工件液体离子氮化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热处理，温度为500～650℃，时间为10～120min，形成防腐耐磨性较好的fe2n、fe3n、、fe4n氮化物组织、fe3c碳化物组织；

5)工件氧化处理：工件在氧化炉中加热处理，温度300～450℃，时间10～120min，形成防腐耐磨性较好的fe3o4氧化物组织。

第二步、对渗氮强化处理好的工件进行锌镍氮氧原位复合生长处理，具体可包括下述步骤：

(1)对渗氮后的工件进行超声波清洗、烘干；

(2)将工件放入锌镍氮氧原位复合生长处理炉内，按照镍粉∶锌粉为重量份1∶10的比例加入渗剂，密封盖上炉盖，搅拌10分钟；

(3)将锌镍氮氧原位复合生长处理炉内抽真空，保压10-30秒，此过程的目的是让锌镍混合粉吸入渗氮金属工件表面的缝隙里，使锌镍渗层在工件基体的缝隙里原位生根，并由里到外复合生长。具体可依据工艺情况，在原位复合生长过程中，可以多次抽真空。

(4)在锌镍氮氧原位复合生长处理炉内进行锌镍氮氧原位复合生长使工件表面形成镍铁化合物组织。具体的，将炉体推入加热炉，一边滚动，一边加热，1-2小时到达工艺温度400～550±10℃(可根据渗层质量要求制定工艺温度)。

(5)在升温过程中，依据工艺要求，可抽真空2-3次；

(6)400～550℃保温、保压5-6小时；

(7)把炉体从加热炉取出，继续转动炉体，直到炉温降低到50～70℃，取出工件。

(8)除去工件表面的灰尘。

实施例2：

第一步、对工件进行液体离子复合渗氮处理，具体可包括下述步骤：

(1)工件内外表面进行处理，工件内外表面进行除油、清洗、干燥处理；外表面进行抛丸、抛光处理；

(2)工件预热处理，将工件放置在电阻加热炉中预热，预热温度为200～450℃，时间为10～100min；

(3)工件均热化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热均匀保温，进行工件均热化处理，温度为400～600℃，时间为10～120min；

(4)工件液体离子氮化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热氮化处理，温度为500～650℃，时间为10～120min，以形成fe3-2n、fe4n、fe3c等防腐耐磨化合物层组织，化合物层达到1-3级。

(5)工件二次液体离子氮化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热氮化处理，温度为500～650℃，时间为10～120min，以形成fe2-3n、fe4n、fe3c等防腐耐磨化合物层组织，化合物层达到4-6级。

(6)工件二次抛光处理；

(7)钝化氧化处理，温度200～400℃，时间10～30min，形成特别耐磨的fe3o4化合物层。

第二步、对渗氮强化处理好的工件经锌镍氮氧原位复合生长处理，具体可包括下述步骤：

(1)对渗氮强化处理后的工件进行超声波清洗、烘干；

(2)打开锌镍氮氧原位复合生长处理炉的炉盖，装入工件，按照镍粉∶锌粉为重量份1∶10的比例加入渗剂，盖上炉盖密封，搅拌10分钟；

(4)将锌镍氮氧原位复合生长处理炉内抽真空，保压10-30秒；

(5)将炉体推入加热炉，一边滚动，一边加热，使炉温在1-2小时到达工艺温度400～550±10℃(可根据渗层质量要求制定工艺温度)。

(6)在升温过程中，依据工艺要求，可抽真空2-3次；

(7)在400～550℃保温、保压5-6小时；

(8)把炉体从加热炉取出，继续转动炉体，直到炉温降低到50～70℃，取出工件。

(9)除去工件表面的灰尘。

实施例3

第一步、对工件进行液体离子复合渗氮处理，具体可包括下述步骤：

(1)工件内外表面进行处理，工件内外表面进行除油、清洗、干燥处理；外表面进行抛丸、抛光处理；

(2)工件预热处理，将工件放置在电阻加热炉中预热，预热温度为350℃，时间为60min；

(3)工件均热化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热均匀保温，进行工件均热化处理，温度为500℃，时间为60min；

(4)工件液体离子氮化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热氮化处理，温度为600℃，时间为80min，以形成fe3-2n、fe4n、fe3c等防腐耐磨化合物层组织，化合物层达到1-3级。

(5)工件二次液体离子氮化处理，工件在中频感应加热液体离子渗氮炉中加热氮化处理，温度为600℃，时间为80min，以形成fe2-3n、fe4n、fe3c等防腐耐磨化合物层组织，化合物层达到3-5级。

(6)工件二次抛光处理；

(7)钝化氧化处理，温度300℃，时间20min，形成特别耐磨的fe3o4化合物层。

第二步、对渗氮强化处理好的工件经锌镍氮氧原位复合生长处理，具体可包括下述步骤：

(1)对渗氮强化处理后的工件进行超声波清洗、烘干；

(2)打开锌镍氮氧原位复合生长处理炉的炉盖，装入工件，按照镍粉∶锌粉为重量份1∶10的比例加入渗剂，盖上炉盖密封，搅拌10分钟；

(4)将锌镍氮氧原位复合生长处理炉内抽真空，保压20秒；

(5)将炉体推入加热炉，一边滚动，一边加热，使炉温在1.5小时到达工艺温度500±10℃(可根据渗层质量要求制定工艺温度)。

(6)在升温过程中，依据工艺要求，可抽真空2-3次；

(7)在500℃保温、保压5-6小时；

(8)把炉体从加热炉取出，继续转动炉体，直到炉温降低到60℃，取出工件。

(9)除去工件表面的灰尘。

本发明实施例上述工件的材料为所有牌号的碳钢或不锈钢等。经过本发明处理后的工件表面具有较好的防腐、耐磨性能、耐冲击性能和耐候性能；在表面用重锤敲击后，渗层表面不掉皮、不脱落；在重锤敲击后，中性盐雾试验时间超过1000小时；经测试，机械性能完全符合国家有关标准，完全可以替代和提升现有的达克罗、锌镍共渗涂层、热渗锌、镀钛银油漆涂层等表面处理工艺。

性能试验

按照实施例1的步骤，对由1cr18ni9ta,17-4两种材料制造的飞机外挂螺钉进行表面处理，在扳手的强力作用下，表面没有起皮，脱落。中性盐雾试验超过1000小时，二氧化硫盐雾试验超过400小时。

按照实施例2的步骤，对由40cr材料制造的pc梁支座球面螺母、防松螺母进行表面处理，在重锤敲击作用下，表面没有起皮，脱落。锤击后，中性盐雾试验超过850-3000小时，二氧化硫盐雾试验超过400小时。

1、渗层质量对比

图2所示为经过普通锌镍共渗处理后的工件表面渗层显微金相组织(500倍、4％硝酸腐蚀)。图3所示为经过本发明的工艺处理后工件表面渗层显微金相组织(500倍、4％硝酸腐蚀)。由图2～3的对比可以看出，普通锌镍共渗处理后工件的渗层和基体之间存在明显的间隙，此间隙严重影响渗层的结合力。而经本发明的工艺处理后工件表面的渗层，基体和渗层之间几乎没有间隙，渗层具有较好的密度梯度和硬度梯度，因此不易脱落，表面硬度较高。

2、机械性能对比：

表1(试样材料40cr)

从上表看出，经本发明的工艺处理的工件完全达到gb/t3077-1999标准规定的机械性能要求。

3、防腐性能对比：

表2：盐雾对比试验(试样材料40cr)

可以看出,经本发明的工艺处理的工件,防腐耐磨处理试样的防腐性能是1cr18ni9ti不锈钢试样的9.2倍。

4、耐冲击性对比

锌镍共渗处理的零件例如防松螺母、球面螺母等，渗层在扳手作用下严重脱皮。参考图4～5所示，本发明工艺处理的工件如防松螺母、球面螺母等，渗层在重锤敲击下，不起皮、不脱落，表面完好，耐冲击性好。

5、表面硬度及硬度梯度对比

表3

综上所述，经过本发明工艺处理后的工件表面具有较好的硬度、防腐耐磨性能、耐冲击性能和耐候性能。例如在表面用重锤敲击后，渗层表面不掉皮、不脱落；在重锤敲击后，中性盐雾试验时间超过1000小时。经测试处理后的工件机械性能完全符合国家有关标准。该工艺完全可以替代和提升现有的达克罗、锌镍共渗涂层、热渗锌、镀钛银油漆涂层等表面处理工艺，同时可广泛用于建筑装饰、冷藏储运、水运码头、岛礁等电子设备，以及高铁、城市轨道交通、地铁、海水净化、船舶等设备零部件表面处理领域。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。