一种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法
【专利摘要】本发明公开了一种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的表面处理方法。该方法采用金属清洗剂去除工件表面油污，将预处理后的工件固定在工件架上，关闭真空室门，并开动工件架旋转；真空室被抽到背底真空低于1x10?2Pa；开启辅助加热装置，将含有工件的真空室升温至150?200℃；通入氩气，采用空心阴极离子源获得等离子束，真空室炉壁为阳极，工件架为阴极；导入工作气体，工件施加直流偏压600V?800V；获得含有工作气体成分的高离化率等离子体，整个试样被笼罩在该等离子体中；控制渗氮层厚度。本发明渗氮层生长速率可以达到速率30?50微米/小时。
【专利说明】
一种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法
技术领域
[0001]本发明涉及提高钢铁工件表面硬度的方法，尤其采用离子源辅助离子氮化实现低温快速获得钢铁材料表面硬化的处理方法，属于金属材料表面改性领域。
【背景技术】
[0002]铁基材料，如高速工具钢、模具钢和奥氏体不锈钢广泛应用于现代机械制造工业的各个领域。为提高由这些材质制成的工件表面硬度，目前已开发了许多技术，但离子氮化仍是其中重要的一种广泛应用的方法。传统的离子氮化采用在较高真空压力(400-600Pa)、较高处理温度(450-600°C)下的正常辉光放电实现离子氮化，通常需要大约10小时离子氮化才能得到约100微米的渗氮层。较高温度下长时间渗氮导致合金元素向外扩散较，影响铁基材料的理化、力学性能，且时间成本较高。
[0003]渗氮过程中氮势、温度、氮粒子的能量、激活能影响氮的扩散。中国发明专利申请CN103233197A公开了一种奥氏体不锈钢低温快速离子渗氮的方法，提出在降低渗氮气压、并采用氮气+氢气作为工作气体，可以降低渗氮温度，当真空室压力为80-160Pa，N2/H2比值为4/13，辉光离子氮化8小时获得约50微米的渗氮层。中国发明专利申请CN101294284A公开了一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法，为防止高温渗氮过程导致AISI410不锈钢基体贫铬，实施例报道在400°C下采用氮气+氢气混合气体辉光放电渗氮15小时，控制真空压力不详，可获得约100微米厚渗氮层。其中中国发明专利申请CN103233197A采用低真空压力，提高辉光放电产生的离子的自由程，使离子轰击表面时能量提高，因此可实现低温渗氮;但该现有技术渗氮时间依然很长。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于，针对钢铁基金属工件的离子氮化表面改性，提供一种便于操作的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，以利于工业应用。
[0005]本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:
[0006]—种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，包括如下步骤:
[0007]I)钢铁基金属工件表面预处理:采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干后待用；
[0008]2)工件放入离子氮化真空系统:将预处理后的工件固定在工件架上，关闭真空室门，并开动工件架旋转;真空室被抽到背底真空低于1x10—2Pa;开启辅助加热装置，将含有工件的真空室升温至150_200°C ；
[0009]3)开启辅助离子源:通入氩气，使真空室压强为0.2-0.3Pa，采用空心阴极离子源获得等离子束，束流电流为100-150A;施加束电流后，真空室温度达到300-350°C并稳定；
[0010]4)开启辉光放电:真空室炉壁为阳极，工件架为阴极;在空心阴极等离子体出口下方的导气管导入工作气体，使真空室真空达到3.0-10.0Pa后，工件施加直流偏压600V-800V;获得含有工作气体成分的高离化率等离子体，整个试样被笼罩在该等离子体中；
[0011]5)控制渗氮层厚度:控制空心阴极离子源束电流100A-150A，工件偏压600-800V，真空室工作压强3-5Pa，真空室温度300-350°C、渗氮2-3小时;渗氮结束后从真空室内取出工件，获得表面洁净的渗氮工件。
[0012]为进一步实现本发明目的，优选地，所述工作气体为氮气，氮气与氢气的混合气体，或氮气、氢气与碳氢化合物气体的混合物。
[0013]优选地，所述工作气体为流量比N2/H2= 2:1-4:1的氮气与氢气的混合气体。
[0014]优选地，所述工作气体为氮气、氢气与碳氢化合物气体的混合物，其中氮气与氢气的流量比N2/H2 = 2:1-4:1，碳氢化合物气体占5-lOvol %。
[0015]优选地，所述碳氢化合物为甲烷或乙炔中的一种或两种。
[0016]优选地，所述导气管的出口位于离子体枪阴极口下方50毫米，横向距离空心阴极等尚子枪轴线50晕米处。
[0017]优选地，步骤3)所述真空室压强为0.2Pa。
[0018]优选地，工作气体的渗氮速率达到30-50微米/小时。
[0019]本发明解决了如何高效提高渗氮等离子体的离化率以及对钢铁金属工件表面充分活化的问题。本发明采用离子源辅助，尤其空心阴极离子源辅助，高能离子源获得Ar+离化率达到近30%的等离子束，其余为中性Ar原子和电子。该等离子束与充入真空室的工作气体充分碰撞，可以降低真空室内辉光放电的电压，在超过500V电压下即可实现氮气、氮气+氢气的真空气体放电；同时大幅度提供真空室等离子体的离化率。高离化率同时意味着可从工件表面溅射更多量的铁原子与氮反应，及表面渗氮的氮势大幅度提高。
[0020]本发明在离子氮化时，工作气体中混合氢气或含氢的碳氢气体，获得高密度的高能H+，并在工件负偏压牵引下轰击工件表面，即使在低温下，可使工件表面与氢发生还原反应，获得清洁活化的表面，为高能粒子轰击溅射出铁原子提供基础。工作气体采用含有氢气或能分解获得氢气的气体与氮气混合构成。
[0021]如果能够进一步提高真空室内等离子体中氮离子的密度，则钢铁工件的表面渗氮的效率将获得明显提高。
[0022]本发明采用离子源获得高离化率的Ar+，同高能电子一起碰撞渗氮气氛中的氮及氢，提高氮/氢的离化效率，从而实现低温渗氮时大幅度提高渗氮速率(即，单位时间渗氮层厚度)的目标。本发明方法明显优于Sato T.,etc., (Surface and Coatings Technology,169-170(2003):45-48)报道采用高能电子束辅助可以提高等离子体中的离化率方法。
[0023]本发明采用的低温离子渗氮炉为具有空心阴极离子源、辅助加热、通气和抽气系统的真空系统。
[0024]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0025]I)真空室内的辅助离子源获得氩离子体，有效提高了辉光放电工作等离子体中的氮离子密度和氢离子密度；
[0026]2)高密度的氢离子能降低工件表面还原、活化所需温度；
[0027]3)高密度氮离子有效降低渗氮时氮扩散能皇，提高可自由扩散的氮含量，实现低温高速渗氮，渗氮速率可达到甚至超过30-50微米/小时。
【附图说明】
[0028]图1为实施例1-4不同工作气体组成对H13钢渗氮层硬度梯度的影响结果图。渗氮时真空室温度300-350°C，偏压500-800V，离子源束流100-150A；渗氮2小时。
[0029]图2为对比试验获得的传统离子氮化10小时H13钢渗氮层形貌图。520°C，800V，工作气体为氨气，真空室压力400Pa。
[0030]图3-1、图3-2和图3-3分别为本发明实施例1-3不同工作气体、束流、偏压、真空室压力下氮化2小时后Hl3钢渗氮层形貌图。
【具体实施方式】
[0031]为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不限如此。
[0032]以下实施例中，采用H13钢试片进行本发明低温离子氮化。实施例采用配置了具有空心阴极离子源、偏压电源、辅助加热、通气和抽气系统、安装在真空室内部二重转动工件架的离子氮化真空系统HIPS_820(韩国iSYS公司，http://gsbcisysinc.en.ec21.com/)。
[0033]实施例1工作气体为纯氮气
[0034]I)将尺寸为100mmx30mmx2mm的H13钢试片抛光后置入含5wt%市售“奇强”金属除油污清洗剂的水溶液中，煮沸约5分钟后，将试片用干净市水漂洗干净并烘干;将试片装挂在卡具上，放入真空镀膜装置HIPS-820;
[0035]2)关闭真空室门，并开动工件架旋转；真空室被抽到背底真空低于8x10—3Pa后，开启辅助加热并设定为200°C，真空室升温到指定温度后，进入下一步骤。
[0036]3)通入氩气，使真空室压强为0.2Pa，开启空心阴极离子源，维持束电流为150A;并设定真空室辅助加热温度为350 °C。
[0037]4)通入氮气，维持真空室压强为5Pa;在工件架施加直流偏压800V;产生的等离子体在试片表面渗氮，渗氮2小时后关闭偏压和离子源及气体。
[0038]5)炉温降至150°C后，取出试片。试片表面光洁，测试的硬度分布结果如图1，渗层金相如图3-1所示。图1中实施例1的渗层-硬度分布曲线表明采用纯氮气工作气体，2小时的渗氮层深度为40-45微米；图3-1金相组织中黑色衬度区为渗氮区，灰色衬度区为基体无渗氮区，测得的渗氮层厚度约50微米，与硬度分布测试结果一致。
[0039]图2是采用华南理工大学金属系的传统离子渗氮设备LDMC系列AQZD辉光渗氮炉(武汉801集团)在520°C，偏压800V;工作气体为氨气，真空室压力400Pa的条件下10小时获得的渗氮样品组织，从金相图上看，渗氮层深度大约为100微米。结果表明HCD辅助氮化时渗氮层速率为25微米/小时，比传统离子氮化速率(约10微米/小时)提升显著。
[0040]实施例2工作气体为氮气/氢气流量比为2:1的混合气体
[0041]I)将尺寸为100mmx30mmx2mm的H13钢试片抛光后置入含5wt%市售“奇强”金属除油污清洗剂的水溶液中，煮沸约5分钟后，将试片用干净市水漂洗干净并烘干;将试片装挂在卡具上放入HIPS-820真空镀膜装置；
[0042]2))关闭真空室门，并开动工件架旋转;真空室被抽到背底真空低于1x10—2Pa后，开启辅助加热并设定为150°C，真空室升温到指定温度后，进入下一步骤。
[0043]3)通入氩气，使真空室压强为0.2Pa，开启空心阴极离子源，维持束电流为100A;并设定真空室辅助加热温度为300 °C。
[0044]4)通入氮气/氢气流量比为2:1的混合气体，维持真空室压强为1Pa;在工件架施加直流偏压800V;产生的等离子体在试片表面渗氮，渗氮2小时后关闭偏压和离子源及气体。
[0045]5)炉温降至150°C后，取出试片。试片表面光洁，测试的硬度分布结果如图1，渗层金相如图3-2所示(402-3000C，偏压800V，离子源束流100A，工作气体为N2/H2 = 2:1,渗氮真空为I OPa)。表明本发明渗氮速度快，渗氮层厚度生长速率可以超过50微米/小时。
[0046]实施例3工作气体为流量比N2/H2/CH4= 10:3:1的混合气体
[0047]I)将尺寸为100mmx30mmx2mm的!113钢试片抛光后置入含5*1:%市售“奇强”金属除油污清洗剂的水溶液中，煮沸约5分钟后，将试片用干净市水漂洗干净并烘干;将试片装挂在卡具上放入HIPS-820真空镀膜装置；
[0048]2))关闭真空室门，并开动工件架旋转;真空室被抽到背底真空低于0.8x10—2Pa后，开启辅助加热并设定为170°C，真空室升温到指定温度后，进入下一步骤。
[0049]3)通入氩气，使真空室压强为0.2Pa，开启空心阴极离子源，维持束电流为120A;并设定真空室辅助加热温度为330 °C。
[0050]4)通入流量比N2/H2/CH4=10:3:1的混合气体，维持真空室压强为3Pa;在工件架施加直流偏压600V;产生的等离子体在试片表面渗氮，渗氮2小时后关闭偏压和离子源及气体。
[0051]5)炉温降至150°C后，取出试片。试片表面光洁，测试的硬度分布结果如图1，渗层金相如图3-3所示(403-330°C，偏压600V，离子源束流120A，工作气体为N2/H2/CH4= 10:3:1,渗氮真空为3Pa)。表明本发明渗氮层厚度生长速率可以达到30-50微米/小时。
[0052]实施例4工作气体为氮气/氢气流量比为4:1的混合气体
[0053]I)将尺寸为100mmx30mmx2mm的H13钢试片抛光后置入含5wt%市售“奇强”金属除油污清洗剂的水溶液中，煮沸约5分钟后，将试片用干净市水漂洗干净并烘干;将试片装挂在卡具上放入HIPS-820真空镀膜装置；
[0054]2))关闭真空室门，并开动工件架旋转;真空室被抽到背底真空低于0.8x10—2Pa后，开启辅助加热并设定为170°C，真空室升温到指定温度后，进入下一步骤。
[0055]3)通入氩气，使真空室压强为0.2Pa，开启空心阴极离子源，维持束电流为120A;并设定真空室辅助加热温度为330 °C。
[0056]4)通入氮气/氢气流量比为4: I的混合气体，维持真空室压强为1Pa;在工件架施加直流偏压800V;产生的等离子体在试片表面渗氮，渗氮2小时后关闭偏压和离子源及气体。
[0057]5)炉温降至150°C后，取出试片。试片表面光洁，测试的硬度分布结果如图1。
[0058]以上实例的试验结果表明:采用本发明方法获得的离子氮化层表面组织与传统离子氮化层组织一致，但氮化层生长速率大幅度增加。即使在纯氮气工作气氛下，实施例1在330 °C下氮化2小时获得约50微米厚渗氮层，当工作气体中适量加入氢气和甲烷时，在300-350°C下2小时可获得渗氮层厚度约100微米;而采用传统离子氮化技术，在较高温度520°C下10小时的氮化层厚度也仅为约100微米。另外，当工作气氛中含有氢气和碳氢化合物气体时，渗氮层的硬度沿着深度的梯度大幅度降低。目前行业被共识是渗氮层硬度梯度趋于平缓，有利于有效提高氮化层的结合力和使用寿命。
[0059]以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，实施例并不限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于包括如下步骤: 1)钢铁基金属工件表面预处理:采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干后待用； 2)工件放入离子氮化真空系统:将预处理后的工件固定在工件架上，关闭真空室门，并开动工件架旋转;真空室被抽到背底真空低于1x10—2Pa;开启辅助加热装置，将含有工件的真空室升温至150-200°C; 3)开启辅助离子源:通入氩气，使真空室压强为0.2-0.3Pa，采用空心阴极离子源获得等离子束，束流电流为100-150A;施加束电流后，真空室温度达到300-350°C并稳定； 4)开启辉光放电:真空室炉壁为阳极，工件架为阴极;在空心阴极等离子体出口下方的导气管导入工作气体，使真空室真空达到3.0-10.0Pa后，工件施加直流偏压600V-800V;获得含有工作气体成分的高离化率等离子体，整个试样被笼罩在该等离子体中； 5)控制渗氮层厚度:控制空心阴极离子源束电流100A-150A，工件偏压600-800V，真空室工作压强3-5Pa，真空室温度300-350°C、渗氮2_3小时;渗氮结束后从真空室内取出工件，获得表面洁净的渗氮工件。2.根据权利要求1所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，所述工作气体为氮气、氮气与氢气的混合气体，或氮气、氢气与碳氢化合物气体的混合物。3.根据权利要求2所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，所述工作气体为流量比N2/H2 = 2:1-4:1的氮气与氢气的混合气体。4.根据权利要求2所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，所述工作气体为氮气、氢气与碳氢化合物气体的混合物，其中氮气与氢气的流量比N2/H2 = 2:1-4:1，碳氢化合物气体占5-10vol%。5.根据权利要求2或4所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，所述碳氢化合物为甲烷或乙炔中的一种或两种。6.根据权利要求1所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，所述导气管的出口位于离子体枪阴极口下方50毫米，横向距离空心阴极等离子枪轴线50毫米处。7.根据权利要求1所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，步骤3)所述真空室压强为0.2Pa。8.根据权利要求1所述的钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法，其特征在于，工作气体的渗氮速率达到30-50微米/小时。
【文档编号】C23C8/38GK105839046SQ201610298874
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】彭继华, 朱振中, 苏东艺
【申请人】华南理工大学, 广州今泰科技股份有限公司