[发明专利]一种金属工件的低温气体快速渗氮复合处理工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属材料的表面化学热处理技术领域，具体涉及一种金属工件低温气体快速渗氮复合处理工艺。

背景技术

金属工件渗氮后，表面硬度高，且表层处于压应力状态，显著提高了工件的耐磨性和抗疲劳强度，改善抗擦伤性能和耐腐蚀性能。

现有渗氮处理技术包括普通渗氮和离子渗氮，前者又分为固体渗氮、液体渗氮和气体渗氮等工艺，其中气体渗氮以易于操作、工艺稳定在工业生产中广泛应用。

传统的气体渗氮工艺是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。常见的工艺有两段渗氮法等，即第一阶段升温至480~530℃，保温15~20h；第二阶段将渗氮温度提高到550~560℃，保温25~30h。

传统气体渗氮周期长，处理温度至少高达500～550℃，致使工件基体硬度降低，整体力学性能下降；对于精密零部件，长时间高温的渗氮处理，工件的变形也难以得到有效的控制。

为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。例如后期发展的离子渗氮工艺，可以适当降低渗氮温度，甚至低至450℃，于真空室内（133~1330Pa），工件（阴极）与阳极之间通高压（400~1100V）电，使真空中的氨（或氮、氢混合气体）电离，并在工件周围产生辉光放电，氮离子冲击工件表面，富集于工件（高温）表面成FeN，分解后渗入。

上述方案在一定程度上发展了渗氮工艺，但离子渗氮的渗层浅，对结构复杂的金属零部件难以保证渗层均匀一致，且设备复杂、初期投资大，其大范围的推广应用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于一种金属工件的低温气体快速渗氮复合处理工艺。

针对现有技术的不足，本发明采用的技术方案为：

一种低温气体快速渗氮复合处理工艺，包括以下步骤：

1）将金属工件清洗、风干，置于反应炉中，打开排气口，炉温升至360～420℃，同时通入CO₂和氨气排除炉内氧气，该温度下保温0.5～1.5 h。 

2）升炉温至渗氮温度，关闭排气口，炉压控制在2.94～7.84 KPa，继续通入CO₂和氨气，保温18～22h后，停止通入CO₂和氨气，滴加甲醇和甲酰胺混合溶液，继续保温1～5h；

3）停止滴加混合溶液，停止加热，通氨气，炉冷至300℃以下，停止通氨气，出炉。

步骤1）CO₂ 流量为45～60 Nm³/h，氨气流量为900～1200 Nm³/h。此步骤目的是在较低温度下通入过量的CO₂和氨气，快速的排出炉内原有气氛，较低的炉温使金属工件表层不至于过早的形成白层，同时此步骤还起到预热金属工件作用，缩短工件均温时间。

步骤2）渗氮温度为430～510℃。此温度比传统气体渗氮温度低50~100℃，金属工件经低温气体快速渗氮复合处理后基体硬度下降幅度缩小甚至不下降。

步骤2）CO₂流量调整为23～43Nm³/h，氨气流量调整为450～850Nm³/h。此步骤在强渗阶段调整CO₂和氨气的流量，获得最佳的[N]原子渗入速度，使金属工件在较低的渗氮温度下短时间内获得高浓度[N]原子的表层组织。

步骤2）甲醇和甲酰氨混合溶液的滴加速度为1.7～2.5cm³/min。

步骤2）所述甲醇和甲酰氨混合溶液中，甲醇和甲酰胺的体积比为1～2：1。甲醇和甲酰胺在430~510℃下分解出大量的氢气，炉内气氛中[N]原子浓度短时间大幅度下降，金属工件退氮速度快，表层脆性好；同时炉内气氛含有少量的[C]原子，在渗层表面形成由ε-Fe(C,N)和γ-Fe4N组成的化合物。

金属工件为机械制造结构钢、工具钢、不锈耐蚀钢、铸铁等。

所述反应炉为RQ-105-9D型滴控井式多用炉。

本发明快速渗氮技术原理为：

本发明采用通入CO₂和氨气共渗，CO₂起催渗效应，原理如下：

NH₃?[N]+1.5H₂                         （1）