[发明专利]一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现渗氮或渗碳的方法，具体涉及一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法。

背景技术

渗氮和渗碳是两种非常常见的金属表面热处理方法，两者虽然介质不同，适用范围不同，但是处理工艺上却颇为相似。

渗氮是将钢件置于含氮的活性介质中，在一定的温度下，使氮原子扩散进入钢件表面，从而形成一层以氮化物为主的渗层组织以提高渗层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等多种性能的化学热处理工艺。

渗氮时，我们向渗氮环境提供热量来获得渗剂中的活性氮原子以及加大渗层金属晶体原子的振动幅度以求为氮原子提供空间和相应的扩散速度。

渗氮工艺主要有以下优点

（1）处理温度低。普通渗氮一般在480℃—650℃，渗氮后不需再进行淬火强化，渗后一般不需要进一步加工就可使用。

（2）表面形成氮化物相，渗层硬度高、耐磨性好；抗咬合性、疲劳性能和耐腐蚀性也相当好。

但是，传统的渗氮工艺也有其致命的不足之处，即由于渗氮温度低，因而渗氮速度慢，工艺周期相当长，一般需要几十小时或近百小时，所以渗氮是一种费时、费电、成本很高效率很低的热处理工艺。由此，大大抵消了渗氮工艺的优点，长期而严重的阻碍着该项技术的应用和发展，如何缩短渗氮时间，提高扩散速度就成了该工艺发展过程中的长期命题。

显而易见，为了获得介质中的活性氮原子和其在金属中的扩散速度以及为了加大金属晶体原子的振动幅度，在传统渗氮所提供的能量中，一部分热量被用来加热体积占比为98%以上的金属零件渗氮层以外的金属体积；另一部分热量用来加热炉膛环境并被散失掉。这两部分热量加起来可达输入总热量的95%以上，真正用到体积占比不到3%的渗层上的有效热量是很少的。这就表明，在传统渗氮工艺中，为了获得不到5%的效果，却长期投入着100%的代价。这就是为什么传统渗氮工艺周期长、效率低、耗能高和成本高的原因所在。

传统渗氮工艺，氮原子的吸收和扩散是一个被动过程。人们只能通过向宏观环境提供热量以强迫氮原子渗入零件表面。从能量形式和零件表层晶体结构来讲，零件表层没有形成对氮原子的吸引力，也没有为氮原子的渗入提供通道，零件表层只是被动地接受氮原子的渗入。在渗氮期间，人们提供的热能大部分被散失掉，只有极少部分用于氮原子向零件表面的渗入过程。

上述分析说明，要向渗氮环境提供有效能量，即：仅向渗层金属提供能量，而不是粗放地向渗层以外的整体环境提供能量。要使所提供的能量具有最大限度的靶向性、精准性以提高效率、降低消耗。

中国专利200910040165.0公开了一种汽车轮胎模具的快速节能气体软氮化方法，采用增压喷丸方法对置于具有增压系统的喷丸设备的料盘中的轮胎模具零件进行表面纳米化处理，喷丸处理完毕后进行渗氮工艺处理。该专利减少了5小时的渗氮时间。

该专利所述实施步骤是分两步进行的。第一步，首先将被处理零件进行喷丸处理，其目的是制造晶体缺陷，为氮原子提供扩散通道。第二步，将喷丸后的零件重新置入渗氮炉中进行传统工艺渗氮处理，渗氮温度是570℃。该专利称可将渗氮时间比传统渗氮时间减少5小时，这是从文字上可以看到的该技术所取得的唯一成果。

金属零件在进行喷丸处理时确实能产生晶体缺陷，这是众所周知的常识。但是，需要强调指出的是：根据材料科学基础和金属学原理及常识可知，这些晶体缺陷是处于高能量且高度不稳定状态，在随后的渗氮加热过程中，这些缺陷因为被加热而在氮原子渗入之前就会消失殆尽。因此，该专利中所述的原理及方法存在重大缺陷，无法推理和想象该专利所述的喷丸处理时所得到的晶体缺陷能对之后的渗氮处理时为氮原子提供其扩散通道这一设想。

渗碳是将低碳钢零件，在渗碳介质（渗碳剂）中加热到900℃-950℃，使碳原子渗入其表面层，获得高碳渗层，再进行淬火并低温回火，在零件心部得到高韧性的条件下，获得高硬度马氏体表面层，从而提高零件的疲劳强度和耐磨性的一种古老的化学热处理工艺。

渗碳具有极高的工业意义和价值。经过渗碳后的低碳钢零件，其心部和基体仍然保持低碳钢的成分、组织结构，因而仍然保持着良好的塑性，较高的韧性和耐冲击性能；而表层获得了高碳钢的成分和组织结构，因而具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度。这种在一个单体零件上具有双重成分、组织结构进而具有双重机械性能的特性，极大地满足了机械零件的工程需要。