[发明专利]一种预氧化、离子渗氮、离子氮氧共渗三步复合表面改性处理方法

说明书

本发明涉及一种预氧化、离子渗氮、离子氮氧共渗三步复合表面改性处理方法，包括以下步骤：将原始态钢加工切割成试样；将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；将试样置于离子氮化炉中，抽真空，通入氢气溅射，先后进行预氧化、离子渗氮和离子氮氧共渗三步表面处理，随炉冷却至室温。本发明的有益效果是：第一阶段试样表层形成一层氧化膜；第二阶段由于关闭了空气，氧化膜会逐渐被氢气还原，形成疏松多孔的扩散通道，达到预氧化的催渗效果；第三阶段由于氧化膜在第二阶段被还原完毕，再次通入空气起到氮氧共渗的催渗作用；操作流程简单便捷，能够在短时间内大幅度提高渗氮速率与渗层厚度，具有高效、节能的优势。

技术领域

本发明涉及一种预氧化、离子渗氮、离子氮氧共渗三步复合表面改性处理方法。

背景技术

在工程应用中，离子渗氮是一种应用较为广泛的表面热处理技术，该技术主要是通过阴极溅射产生活性的氮原子，在试样表面富集且不断向基体内部扩散，最终形成渗氮层。预氧化则是在离子渗氮之前对试样表面进行氧化的工艺，离子氮氧共渗则是在离子渗氮过程中添加适量的空气，两者都具有渗速快，硬度梯度缓和，耐蚀性好等优点。

在化学热处理技术中，渗氮技术包含气体渗氮、离子渗氮、盐浴渗氮等。离子渗氮和盐浴渗氮虽可以获得一定厚度的渗氮层，但前者渗氮周期较长，设备资源利用率不高，而后者则容易对环境造成污染，具有一定的危害性。

相比于其他的表面改性技术，预氧化+离子渗氮和离子氮氧共渗具有渗氮温度低、渗氮速度快、工件变形小以及无污染等优势。把两者结合起来是否可以得到更好的效果具有一定的探索价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述渗氮效率低、设备利用率不高的问题，本发明提供操作流程简单便捷、高效、节能的金属表面化学热处理工艺，本发明通过预氧化、离子渗氮、离子氮氧共渗相结合的处理方法，添加适量空气在不同阶段可以促进活性氮原子的扩散和吸附，从而提高渗氮效率。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种预氧化、离子渗氮、离子氮氧共渗三步复合表面改性处理方法，包括以下步骤：

(1)将原始态钢加工切割成试样，原始态钢为优质碳素结构钢的一种，优选45钢，试样尺寸为10mm×10mm×5mm。

(2)将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干。先升温至840℃保温7.5min，水冷至室温，再升温至560℃保温30min，空冷至室温；将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，然后将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min。

(3)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，通入氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，先后进行预氧化、离子渗氮和离子氮氧共渗三步表面处理，离子渗氮和离子氮氧共渗两种表面处理的保温时间共4h，处理完成后随炉冷却至室温。冷却后采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。

进一步地，预氧化表面处理具体操作为：将炉温升高到300℃，通入空气流量为3L/min，炉内压力设为自由压，预氧化45min。

进一步地，离子渗氮表面处理具体操作为：采用氮气和氢气混合气体，氮气与氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，气体压力保持在400Pa，温度为550℃，时间为1～3h。

进一步地，离子氮氧共渗表面处理具体操作为：采用氮气、氢气和空气混合气体，氮气、氢气和空气的流量分别为200ml/min、600ml/min和200ml/min，气体压力保持在400Pa，温度为550℃，时间为3～1h。

采用预氧化、离子渗氮、离子氮氧共渗三步复合表面改性处理方法，处理后的试样表层获得优异的化合物层厚度。