[发明专利]基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法

说明书

本发明涉及基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法，属于奥氏体不锈钢氮化处理技术领域。该系统包括电源系统、真空渗氮炉、放置在炉内的空心阴极装置、抽气系统、供气系统、测控系统，及连接管道和阀门；所述真空渗氮炉中空心阴极装置结构为多块平行排列在炉内的金属板,每块金属板带有多个间隔排列的长条凹槽且每个凹槽中均开有间隔排列的通孔。本方法为将多个零件清洗后放入真空渗氮炉内安装空心阴极装置的两金属板之间后进行氮化处理后，升温到500℃‑550℃温度，保温时间为0.5h‑1.5h，再冷却，拿出零件。本发明提高了气体离化率，增大了等离子体浓度，可改善奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性，不影响其耐蚀性能，提高氮化效率。

技术领域

本发明属于奥氏体不锈钢氮化处理技术领域，特别涉及一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法。

背景技术

由于奥氏体不锈钢表面存在钝化膜(如Cr₂O₃)，因此在相对低的温度下的常规气体氮化，氮难于渗入。在气体渗氮时，工件表面的去钝过程成为是一项必不可少的步骤。如经过酸洗和抛丸的预先热处理，去除表面的钝化膜，而且要抑制其重新生成。而在直流离子氮化时，由于有强的阴极溅射作用，可有效地从不锈钢表面上去除氧化层，因此，在低于400℃时，氮也能有效地传输。

大量实验研究和理论分析表明，奥氏体不锈钢离子渗氮处理技术的关键在于控制足够低的渗氮温度或者较短的渗氮时间，尽可能地抑制CrN的形成，从而产生单一的S相硬化层。单一的S相层，提高硬度及耐磨性的同时保证了奥氏体不锈钢原有的耐腐蚀性能。S相是一种处于亚稳定状态的中间相，随着处理温度的升高，奥氏体不锈钢渗氮层的结构与性能随之变化。S相分解，晶格点阵发生非共格转变，转变为稳定的氮化铬平衡相析出。

等离子体渗氮技术因其对奥氏体不锈钢材料处理的优异性能被广泛应用于这类材料的表面强化处理领域，而空心阴极等离子体渗氮则是对传统离子渗氮的进一步改善。目前一些基于空心阴极结构的离子渗氮改善了传统离子渗氮但也产生了一定的局限。如柯跃前等人对奥氏体不锈钢模具顶杆与排气阀两类零件的离子渗氮进行研究，两类零件都进行了调质预处理，并在零件周围合适的距离设置一定规格的铁丝网做辅助阴极，使得两类零件样品与辅助阴极之间放电形成空心阴极结构，排气阀在550-580℃渗氮1-4h，模具顶杆在520℃氮化4h,两类零件在空心阴极辅助下都加快了渗氮速率且获得了均匀的硬化层；赵彦辉等人在对316奥氏体不锈钢进行渗氮处理时也使用空心阴极结构，即在真空炉腔上方的进气口处放电装置两端设置了两块面积很小的平板形成空心阴极，在真空炉壁又设置了加热板，奥氏体不锈钢样品放在真空炉中心的样品盘上，样品在400℃下改变电弧电流进行电弧等离子氮化1h，样品表面硬度提高了四倍多，磨损率降低了两个数量级，耐腐蚀性也有很大提高；K.Nikolov等人使用空心阴极结构研究了304奥氏体不锈钢板的氮化处理，其空心阴极结构是两个基板(350mm×150mm，厚度0.1-0.2mm)以30mm的距离平行地面对面地安装，两极板间四周一边为阳极块其余为排气块，(空心阴极结构配置长度为140mm，宽度为30mm，高度为150mm)在400-510℃下最长氮化2h，最后得到了较厚的氮化层提高了板材样品的抗腐蚀性能。

上述各种空心阴极等离子体渗氮方法均有不足之处:

柯跃前等人的研究是对每种不同奥氏体不锈钢零件分别设置空心阴极结构，零件也作为空心阴极结构的一部分，样品表面会出现过烧或者形成小孔，同时不利于大量工件的氮化处理，而且渗氮前的准备工作繁琐，空心阴极设备的利用率较低，易造成浪费；赵彦辉等人使用的空心阴极覆盖面积较小，这会影响气体离化率，降低氮化效率，同时无法对样品进行加热，这就需要加装加热板，加热板不仅需要板材还增加了能量消耗；K.Nikolov等人的空心阴极结构仅处理其内长度为140mm，高度为150mm的部分，即对工件或样品的尺寸要求严格，仅能处理板材或较薄的样品，加装排气块还会影响气体扩散，降低效率。

发明内容