[发明专利]一种环保型富氮层快速渗氮方法

说明书

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。

本发明技术背景

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℃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℃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℃以上停留1～30min，然后降低温度至400～560℃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℃/小时的升温速度加热至580～600℃，保温1～30min；

(4)以300～500℃/小时的平均速度冷却至400～560℃，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℃；

(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％。

附图说明

图1是本发明的处理工艺曲线图。