一种不锈钢强化热处理工艺及热处理渗氮炉的制作方法

本发明涉及表面强化处理工艺技术领域，特别是属于一种不锈钢强化热处理工艺及热处理渗氮炉。

背景技术：

不锈钢材料在工业领域应用较为普遍，其材质特性是硬度低，耐磨性差，易咬合，特别是不锈钢紧固件在应用中经常出现螺纹擦伤，咬死等现象。为了增强不锈钢材料的强度，强化其硬度和耐磨性等力学性能，一般的处理方法是对不锈钢材料进行渗碳及渗氮。但传统的表面处理技术如渗碳及渗氮工艺在提高不锈钢硬度的同时，产生了碳化铬沉淀，降低了不锈钢的耐腐蚀性能。存在以下工艺弊端：

渗碳温度在1470℉(800℃)-2100℉(1150℃)时，由于碳化物cr23c6和cr7c3的形成，会降低不锈钢材料的耐腐蚀性。

渗氮温度在900℉(480℃)-1650℉(900℃)的条件下，由于氮化物crn和cr2n的形成，也会使不锈钢的耐蚀性降低。

因此，本发明提出了一个能够提高渗氮不锈钢耐腐蚀性能的工艺热处理工艺，以提高不锈钢的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种能够提高渗氮热处理不锈钢耐腐蚀性的不锈钢强化热处理工艺。

本发明采用的技术方案如下：

一种不锈钢强化热处理工艺，包括如下步骤：

s1：将不锈钢置于渗氮炉中；

s2：将渗氮炉内工艺参数调节至温度：2010℉、压力：110kpa，对不锈钢进行固溶渗氮处理；

s3：将渗氮炉内工艺参数调节至温度：1920℉-1980℉、压力：110kpa，持续45min-1h，对不锈钢进行二次淬火处理；

s4：将将渗氮炉内工艺参数调节至温度：750℉，持续45min-2h，对不锈钢进行回火处理。

由于恒温下双原子气体在金属中的溶解度和气体分压的平方根成正比，因此，表面氮浓度及氮固溶深度取决于两个要素：

(1)不锈钢中合金元素的含量；

(2)氮分压：表面氮浓度与氮分压的关系为：ns～√pn2(根号)

渗氮过程在750℉(400℃)-840℉(450℃):形成n-原子聚集/δ-相；

渗碳过程在660℉(350℃)-840℉(450℃):过饱和奥氏体，c-含量2～3％；

在1920℉(1050℃)-2100℉(1150℃):奥氏体具有很高的氮溶解度，形成高浓度的固溶态渗氮层。

因而，本工艺通过对渗氮压力和温度的控制，并通过创新的固溶渗氮、二次淬火、回火的三段式处理方法，使高浓度固溶氮渗层深度大大加深，并避免生成氮化物crn和cr2n，而降低不锈钢的耐腐蚀性，提高了不锈钢的应用场景与使用寿命，适宜推广使用。

优选的，所述步骤s2过程持续2-4h。2-4小时的固溶渗氮处理，能够保证渗氮层的厚度，保证不锈钢表面硬度。

此外，本发明还公开了一种热处理渗氮炉，包括底座、炉盖和掀盖结构，其特征在于，所述掀盖结构适用于控制所述炉盖，所述炉盖与所述底座之间设置有密封结构；所述底座的中间位置设置有隔板，所述隔板将所述底座由上至下分隔为反应腔和调节腔；所述调节腔内设置有与所述反应腔连通的真空泵和氮气管；所述反应腔内设置有阳极炉圈，所述阳极炉的中间位置设置有阴极接口，所述调节腔内设置有与所述阳极炉圈以及所述阴极接口电连接的控制箱；所述炉盖内设置有与所述阴极接口配合的安装座。底座、炉盖与掀盖结构的设置，便于将待处理材料置于腔体内，密封结构的设置，用以保证腔体内压强，调节腔内真空泵以及氮气管的设置，则用于将氮气导入反应腔内，同时，将腔体抽至真空，避免空气对渗氮过程造成影响，阳极炉圈以及阴极接口、安装座的设置，用以控制渗氮环境，此外，传统方案是将原料直接置于反应腔中间的阴极板上，而本方案通过安装座与阴极接口的配合，仅需将物料置于安装座上即可，避免物料的取放过程中，与高温炉腔接触，提高了安全性能，使用方便。

优选的，所述密封结构包括设置在所述底座上的密封凸起，所述炉盖上设置有与所述密封凸起配合的密封凹槽。密封凸起与密封凹槽的配合，能够将底座与炉盖的连接处密封，避免腔内通过空隙与外界接触，出现压力偏差。

优选的，所述密封凸起上设置有功能槽，所述功能槽底端向内延伸设置有耳槽，所述密封凸块上设置有与所述耳槽连通的锁固槽，所述锁固槽内滑动设置有锁固块，所述锁固块上设置有与所述耳槽配合的通孔，所述锁固槽内设置有与所述锁固块连接的固定压簧，所述功能槽内配合设置有密封圈，所述锁固块适用于在所述密封凸块与所述密封凹槽的配合状态下将所述密封圈紧压。功能槽及功能槽上耳槽的设置，能够放置与其结构一致的密封圈，通过锁固槽、锁固块以及固定压簧的配合，即可在密封凹槽与密封凸块配合时，压紧密封圈，进一步提高装置的密封效果。

优选的，所述安装座的底端设置有与所述阴极接口配合的接线槽，安装座上还设置有连接杆，所述连接杆与所述炉盖顶端固定连接，所述安装座上还设置有夹固结构。安装座底端接线槽的设置，与阴极接口配合后，能够将安装座整体作为阴极板，在阴阳极之间形成等离子区，在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击，离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度，由于离子的轰击，工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，氮遂渗入工件表面，进一步提高了渗氮效果。

优选的，所述夹固结构包括两个对称设置的夹固块，所述夹固块上朝向所述安装座的中间位置设置有夹固槽，所述夹固槽内滑动连接有夹持头，所述夹固槽的底端设置有与所述夹持头连接的夹固压簧。夹固槽、夹持头以及夹固压簧的设置，能够通过压簧的弹力间接由夹持头作用在工件上，以将工件固定，夹固头可根据情况对不同形状的工件进行更换，通过夹固结构的设置，则能够固定工件，防止工件掉落、滚动，影响渗氮效果。

优选的，所述炉盖的壁体内由内至外依次设置有水流层和空气层，所述炉盖上还设置有与所述水流层连通的进水口和出水口。水流层的设置，便于在不同渗氮环境的切换过程中，对炉体进行降温，提高温控效果，空气层的设置，则能够起到保温的作用，避免炉体内温度波动变化较大，进一步提高渗氮过程的稳定性。

优选的，所述掀盖结构包括竖直设置的掀盖伸缩杆，所述掀盖伸缩杆的活塞端设置有活动座，所述活动座内设置有转动电机，所述活动座上还设置有中间块，所述转动电机的转轴穿过所述活动座与所述中间块连接，所述中间块上设置有与所述炉盖连接的传动杆。掀盖伸缩杆、活动座、转动电极的设置，能够通过中间块、传动杆的传动，实现炉盖抬升以及转动的目的，便于加工产品的置入、取出与替换，使用方便。

优选的，所述活动座靠近所述中间块的一端设置有滚珠槽，所述滚珠槽内设置有支撑滚珠，所述支撑滚珠与所述中间块接触设置。滚珠槽及其内部支撑滚珠的设置，用以支撑中间块，避免中间块受力直接作用在转动电极的转轴上，延长转轴的使用寿命。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:

1、本发明中，通过对渗氮压力和温度的控制，并通过创新的固溶渗氮、二次淬火、回火的三段式处理方法，使高浓度固溶氮渗层深度大大加深，并避免生成氮化物crn和cr2n，而降低不锈钢的耐腐蚀性，是一种全新的避免不锈钢耐蚀性降低的热处理方法，解决了不锈钢材料在渗碳、渗氮强化过程中的耐腐蚀性下降问题，可广泛应用于工程机械、化工、纺织机械、食品加工业、奶制品业、机械工程、海洋设备、家用厨卫设备、医疗器械等行业。

2、本发明中，通过安装座与阴极接口的配合，仅需将物料置于安装座上即可，避免物料的取放过程中，操作员与高温炉腔接触，提高了安全性能，使用方便。

3、本发明中，通过安装座上夹固结构的设置，能够固定工件，防止工件掉落、滚动，影响渗氮效果，同时，避免运输过程中工件掉落。

4、本发明中，通过掀盖伸缩杆、活动座、转动电极的设置，能够通过中间块、传动杆的传动，实现炉盖抬升以及转动的目的，便于加工产品的置入、取出与替换，使用方便。

5、本发明中，通过锁固槽、锁固块以及固定压簧的配合，即可在密封凹槽与密封凸块配合时，压紧密封圈，进一步提高装置的密封效果，同时，防止密封圈脱离，保证装置的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的剖面结构示意图。

图2为图1中a区域的放大示意图。

图3为图1中b区域的放大示意图。

图4为图1中c区域的放大示意图。

图中标记：1-底座，2-炉盖，3-隔板，4-反应腔，5-调节腔，6-真空泵，7-氮气管，8-阳极炉圈，9-阴极接口，10-控制箱，11-安装座，12-密封凸起，13-密封凹槽，14-功能槽，15-耳槽，16-锁固槽，17-锁固块，18-通孔，19-固定压簧，20-密封圈，21-接线槽，22-连接杆，23-夹固块，24-夹固槽，25-夹持头，26-夹固压簧，27-水流层，28-空气层，29-进水口，30-出水口，31-掀盖伸缩杆，32-活动座，33-转动电机，24-中间块，25-传动杆，26-滚珠槽，27-支撑滚珠。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种不锈钢强化热处理工艺，包括如下步骤：

s1：将不锈钢置于渗氮炉中；

s2：将渗氮炉内工艺参数调节至温度：2010℉、压力：110kpa，持续3h对不锈钢进行固溶渗氮处理；

s3：将渗氮炉内工艺参数调节至温度：1920℉-1980℉、压力：110kpa，持续1h，对不锈钢进行二次淬火处理；

s4：将将渗氮炉内工艺参数调节至温度：750℉，持续1h，对不锈钢进行回火处理。

对经上述工艺处理后不锈钢性能进行检测，检测结果：

氮固溶深度:0.2–2.5mm，远高于常规渗氮的30-50μm的渗氮层厚度；

表面硬度：马氏体钢:54-61hrc；

奥氏体钢及双相钢:200-350hv；

结果证明，本发明工艺在不锈钢零件表面形成厚度较深的固溶氮渗层，渗层具有较高的氮浓度而无cr沉积，形成较高的渗层强度，还可以有效地改变不锈钢的性能：处理后的不锈钢零件具有较高的抗冲蚀性，提高耐蚀性；使得工件较高的压应力，可以降低摩擦系数；此外，工件还具有更高的硬度，改善了耐磨性，减少磨损；可以提高交变应力下的疲劳强度。

此外，本实施例还公开了一种热处理渗氮炉，如图1-4，包括底座1、炉盖2和掀盖结构，其特征在于，所述掀盖结构适用于控制所述炉盖2；所述炉盖2的壁体内由内至外依次设置有水流层27和空气层28，所述炉盖2上还设置有与所述水流层27连通的进水口29和出水口30；所述底座1上设置有密封凸起12，所述炉盖2上设置有与所述密封凸起12配合的密封凹槽13；所述密封凸起12上设置有功能槽14，所述功能槽14底端向内延伸设置有耳槽15，所述密封凸块上设置有与所述耳槽15连通的锁固槽16，所述锁固槽16内滑动设置有锁固块17，所述锁固块17上设置有与所述耳槽15配合的通孔18，所述锁固槽16内设置有与所述锁固块17连接的固定压簧19，所述功能槽14内配合设置有密封圈20，所述锁固块17适用于在所述密封凸块与所述密封凹槽13的配合状态下将所述密封圈20紧压；所述底座1的中间位置设置有隔板3，所述隔板3将所述底座1由上至下分隔为反应腔4和调节腔5；所述调节腔5内设置有与所述反应腔4连通的真空泵6和氮气管7；所述反应腔4内设置有阳极炉圈8，所述阳极炉的中间位置设置有阴极接口9，所述调节腔5内设置有与所述阳极炉圈8以及所述阴极接口9电连接的控制箱10；所述炉盖2内设置有安装座11，所述安装座11的底端设置有与所述阴极接口9配合的接线槽21，安装座11上还设置有连接杆22，所述连接杆22与所述炉盖2顶端固定连接，所述安装座11上对称设置有两个夹固块23，所述夹固块23上朝向所述安装座11的中间位置设置有夹固槽24，所述夹固槽24内滑动连接有夹持头25，所述夹固槽24的底端设置有与所述夹持头25连接的夹固压簧26；所述掀盖结构包括竖直设置的掀盖伸缩杆31，所述掀盖伸缩杆31的活塞端设置有活动座32，所述活动座32内设置有转动电机33，所述活动座32上还设置有中间块24，所述转动电机33的转轴穿过所述活动座32与所述中间块24连接，所述中间块24上设置有与所述炉盖2连接的传动杆25；所述活动座32靠近所述中间块24的一端还设置有滚珠槽26，所述滚珠槽26内设置有支撑滚珠27，所述支撑滚珠27与所述中间块24接触设置。

在使用过程中，先将不锈钢置于安装座11上，通过夹固头将其夹固，随后控制转动电机33将炉盖2转动至恰与底座1配合的位置，随即控制掀盖伸缩杆31收回，炉盖2下行与底座1盖合，此过程中，炉盖2会推动锁固块17，将位于耳槽15处的密封圈20夹紧，避免密封圈20脱离，同时，密封圈20顶端通过密封凹槽13压紧，进一步保证了密封效果，随后通过真空泵6将炉体内空气抽出，并通过氮气管7导入适量氮气，通过控制箱10对阳极炉与阴极结构通电，即可正常对不锈钢进行渗氮操作，操作完成后，仅需关闭各装置，将冷却水由进水口29导入炉盖2内，待炉体温度与压强恢复至合适值时，再控制掀盖伸缩杆31伸出，即可通过连接杆22将安装座11与不锈钢一同取出，驱动电机偏移角度后，即可正常将不锈钢产品取下，同时放入下一产品，避免了使用者由炉体内部进行取料操作，排除了安全隐患，实用性强，适宜推广使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。