[发明专利]一种不锈钢工件低温低压离子渗氮方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于不锈钢表面防护技术领域，特别涉及一种不锈钢耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性的综合性能高的渗氮层的制备方法。

背景技术

离子渗氮是一种高温下以氮原子渗入不锈钢工件表面，形成一层以渗氮物为主的渗氮层的化学热处理方法。渗氮工艺一般由三个基本过程组成：活性氮原子的产生、活性氮原子的表面吸收和活性氮原子的热扩散。离子渗氮可以提高不锈钢工件的表面硬度、耐磨损及耐疲劳综合性能，而且工艺简单，设备投入低，已经被广泛应用在工业领域的生产实践中。常规离子渗氮的渗氮温度为600℃左右，在改善不锈钢材料表面硬度和耐磨损性能的同时，高的渗氮温度会使得渗氮层中的铬元素以铬氮化合物析出，从而使得不锈钢渗氮表面耐腐蚀性能较差，且工件易发生变形。

当奥氏体不锈钢的渗氮温度低于400℃时，可以在基材表面形成膨胀奥氏体相，避免铬元素以铬氮化合物形式析出，从而在不降低耐腐蚀性能的前提下显著提高不锈钢工件的表面硬度和耐磨损性能。低温离子渗氮技术是最近二十年在传统常规离子渗氮技术基础上发展起来的，已成为协同改善不锈钢耐腐蚀、耐磨损和耐疲劳综合性能的有效技术手段之一。

在文献Science 2003 Vol 299:686-688中，佟伟平教授公开了一种纯铁的低温气体渗氮方法，该方法首先对纯铁表面进行高能喷丸强化前处理，通过工件表面的塑性变形使纯铁表面发生晶粒纳米化，近而实现纯铁低于300℃的低温气体渗氮处理。在该方法中，高能喷丸强化前处理通常会使工件表面发生塑性变形，从而影响工件的精度。

在公开号为CN1706982A的发明专利中公开了一种钢铁的低温气体渗氮方法。该方法包括工件前预处理和后期低温气体渗氮处理，前期预处理包括，在电镀装置的电镀液中，将工件作为其中的一个电极，加载交流电源，对工件表面进行交流处理，尔后进行后期低温气体渗氮处理。在该方法中，前期电镀预处理不仅容易造成严重的环境污染，而且工序复杂，渗氮层与基体件的结合力不足。

在上述常规离子渗氮技术和低温气体渗氮技术中，气体介质的气压为200～1000Pa，使得渗氮工件的表面易污染。

发明内容

为克服现有技术中存在的不锈钢渗氮表面耐腐蚀性能较差的不足，本发明提出了一种不锈钢工件低温低压离子渗氮方法及其装置。

本发明提出的不锈钢工件低温低压离子渗氮方法的具体过程是：

步骤1、工件表面的预处理。所述工件的表面预处理包括对工件表面的机械预处理、工件表面除油和超声清洗。

步骤2、渗氮处理。将工件放置在试样平台上，通过辅助阴极钛板将工件完全覆盖。将阴极辅助钛板悬挂于真空室内且与工件表面有10～30mm间距；将辅助阴极钛板与直流电源的负极连接。将渗氮真空室的气压抽至低于5Pa后，通入流量为20sccm的Ar气和流量为80sccm的N₂气并保持气体流量恒定至渗氮处理结束。调节渗氮真空室气压至10～60Pa并保持恒定至渗氮处理结束。

渗氮开始后，调节直流电源电压参数至200～400V，脉冲电源电压参数至500～800V，脉冲频率至10KHz，脉冲电源占空比至20%～100%并保持至渗氮处理结束。

当渗氮工件的渗氮温度由室温升至300～500℃开始保温，保温时间为6～48h，对工件进行渗氮。得到低温低压离子渗氮处理的不锈钢工件。

本发明还提出了一种用于所述不锈钢工件低温低压离子渗氮方法的装置，包括绝缘挂杆、渗氮真空室、阴极辅助钛板、直流电源、试样平台和脉冲电源。其中，绝缘挂杆、阴极辅助钛板和试样平台均位于渗氮真空室内，并且试样平台安装在渗氮真空室位于底座的通孔上，一端伸出所述渗氮真空室底座；所述试样平台与渗氮真空室的底座之间绝缘密封。绝缘挂杆安装在渗氮真空室的顶板上，阴极辅助钛板安装在绝缘挂杆的下端。所述阴极辅助钛板与试样平台的位置相互对应。在渗氮真空室底座上有进气孔和抽气孔。

所述绝缘挂杆的上端和下端均有挂孔，该挂孔的中心线垂直于所述绝缘挂杆的中心线。

本发明中，渗氮真空室能够进行抽真空并保持恒定气压，试样平台能够放置被渗氮不锈钢，脉冲电源电源的负极接试样平台，直流电源的负极接阴极辅助钛板，辅助阴极钛板通过绝缘陶瓷挂杆悬挂在渗氮真空室中，被渗氮不锈钢放置在试样平台，辅助钛板与被渗氮保持合适的距离。

由于采取了上述技术方案，是本发明取得了以下有益效果：