CN101195913A - 等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺。其特征是在低于700℃的温度条件下，首先进行离子氮碳共渗或离子氮化工艺，然后进行等离子渗铬工艺分步复合或同时进行氮、碳、铬共渗，在被渗工件表面得到碳氮铬合金层。本发明的优点在于：将渗铬温度从高于铁素体向奥氏体转变的相变点降到其温度之下，节约能源、资源、简化工艺、方便操作；形成更合理，成分可控的含有铬合金元素与非金属元素碳、氮的表面强化层；复合处理工艺过程全部采用当代先进的等离子体辉光放电技术，设备紧凑，工艺适用，操作方便，有利于技术的推广和应用。

Description

等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺

技术领域：

本发明涉及表面冶金，具体是等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺。

背景技术：

表面冶金技术上世纪20年代以来发展很快。1920年由德国科学家发明的离子氮化技术，将非金属元素通过等离子方法渗入钢铁材料表面，形成表面仅含氮元素的氮化层。

1985年，由我国学者发明的“双层辉光放电离子渗金属技术”取得了美国专利权。美国发明专利号为4731539。该发明的专利是利用稀薄气体中的辉光放电及溅射现象，在真空容器中设置由欲渗合元素组成的源极及放置工件的阴极，源极与阳极之间的辉光放电使合金元素溅射出来，并吸附于被离子轰击加热至高于800℃的工件表面，然后借助于沉积扩散过程使工件表面形成含有欲渗合金元素的合金层。

1987年，由我国学者发明的“锯切工具离子渗金属技术”获中国发明专利，中国发明专利号为8710435804。该发明专利是“双层辉光放电离子渗金属技术”在锯切工具上的一个具体应用技术，其基本原理是首先利用双层辉光离子渗金属技术在金属材料表面高于800℃渗入所需的合金元素，(如W、Mo、Cr、V等)。其次进行900℃～1050℃渗碳处理，以获得含有高碳高合金的表面合金层。最后进行后续热处理，如淬火、回火。

2004年，由我国学者发明的“金属和非金属元素等离子共渗工艺”获中国发明专利，中国发明专利号为ZL01141329.8。该发明专利的技术特征是高于800℃的高温状态下，通入惰性气体氩气或氮气时，同时通入反应性气体，将各种金属元素和非金属元素同时渗入被渗金属材料表面，形成多种元素的表面合金层。

上述工艺都是在800℃～1200℃的高温条件下进行，工艺较复杂，浪费能源、资源。

发明内容：

本发明的目的是公开一种既工艺简单、操作方便、成份可控，又节约能源、节省资源的等离子复合低温形成铬、碳氮表面合金层工艺。

本发明目的通过如下技术方案实现：

本发明包括离子氮碳共渗及离子氮化技术，金属和非金属元素等离子共渗技术，其特征是：在低于700℃的条件下将离子氮碳共渗或离子氮化工艺与离子渗铬技术分步复合，或在低于700℃下同时进行氮、碳、铬离子共渗，在钢铁材料表面形成含有铬碳氮或铬氮的表面合金层。

等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺过程为：

1.采用一个可以抽真空的容器，真空容器中设置一个欲渗合金元素铬的固体源极、放置被渗金属材料的阴极、以及阳极(也可将炉体作为阳极)，在阳极与阴极，阳极与源极之间各设置有0～1500V的可调直流电源或脉冲电源，工作时，抽真空达1×10^-1Pa后，通入反应性气体氨气或甲烷、乙烷、丙烷、丙酮挥发气、酒精挥发气体，形成100Pa～5000Pa之间的工作气压，加入直流电压或脉冲电压，阴极与阳极之间产生辉光放电，其电压在-300V～-1000V范围之间，进行低于700℃离子氮碳共渗或渗氮。

2.氮碳共渗或渗氮工艺结束，关闭反应性气体氨气或甲烷、乙烷、丙烷、丙酮挥发气、酒精挥发气体，充入惰性气体氩气，形成在10Pa～100Pa之间的工作气压，加入直流电压或脉冲电压，使阴极与阳极之间的电压在-300V～-1000V范围，源极与阳极的电压在-700V～-1500V范围，进行低于700℃离子渗铬，随着氩离子轰击的溅射作用将固体源极中的合金元素铬以离子、原子或粒子团的形式溅射出来，在电场的作用下被电离，产生活性的铬离子、铬原子和含铬粒子团，这些活性铬离子，铬原子和含铬粒子团吸附于放置在阴极的被渗金属材料表面，并扩散进入内部，形成表面合金层，而后进行缓慢冷却至室温，还可根据需要，实施快速冷却，进行淬火，使表面合金层组织产生相变强化。

在低于700℃下，同时进行氮、碳、铬共渗的工艺过程为：

将浴渗的合金元素Cr制备成固体金属丝安置在源极上，被渗金属材料放置在阴极上，阳极接在炉壳并接地，抽真空度达到极限真空度1×10^-1Pa后，同时通入氩气和氨气至100Pa，然后在阴极、源极与阳极之间分别加入直流电压，阴极电压-500V，源极电压在-1000V，将被渗材料升温至560℃保温5小时，然后缓冷到室温，即可得到铬、氮同时共渗的合金层。

本发明等离子复合处理低温形成铬、碳氮表面合金层工艺，被渗工件表面形成合金层后，可以缓冷到室温，也可以采用快速冷却，实施淬火。

本发明的优点：

1.将渗铬温度从高于铁素体向奥氏体转变的相变点降到其温度之下，节约能源、资源、简化工艺、方便操作；

2.形成更合理，成分可控的含有铬合金元素与非金属元素碳、氮的表面强化层；

3.复合处理工艺过程全部采用当代先进的等离子体辉光放电技术，设备紧凑，工艺适用，操作方便，有利于技木的推广和应用。

具体实施方式：

下面将以在低碳钢表面形成铬氮合金层为例，具体阐述表面冶金过程：

实施例一：将欲渗的合金元素Cr制备成固体金属丝安置在源极上，被渗金属材料20钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。抽真空达极限真空度1×10^-1Pa后，通入氨气500Pa，然后在阴极与阳极之间加入直流电压，阴极电压在-500V，升温到560℃保温3小时，即可获得100μm的含氮固溶体层。

接着关闭氨气，通入惰性气体氩气到20Pa，在源极与阳极、阴极与阳极之间加入直流电压，源极电压在-1000V，阴极电压在-500V，升温到600℃保温5小时，然后缓冷到室温，即可获得100μm的含铬氮的合金扩散层。

实施例二：将欲渗的合金元素Cr制备成固体金属丝安置在源极上，被渗金属材料20钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。抽真空达极限真空度1×10^-1Pa后，通入氨气200Pa，甲烷200Pa，然后在阴极与阳极之间加入直流电压，阴极电压在-500V，升温到560℃保温3小时，即可获得100μm的含碳氮固溶体层。

接着关闭氨气和甲烷，通入惰性气体氩气到20Pa，在源极与阳极、阴极与阳极之间加入直流电压，源极电压在-1000V，阴极电压在-500V，升温到600℃保温5小时，然后缓冷到室温，即可获得100μm的含铬碳氮的合金扩散层。在形成含铬碳氮合金层后，可采用快冷的方式，实施淬火工艺。

实施例三：铬、氮同时共渗的工艺过程：

将欲渗的合金元素Cr制备成固体金属丝安置在源极上，被渗金属材料20钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。抽真空达极限真空度1×10^-1Pa后，同时通入氩气和氨气至100Pa，然后在阴极、源极与阳极之间分别加入直流电压，阴极电压在-500V，源极电压在-1000V，将被渗材料升温到560℃保温5小时，然后缓冷到室温，即可获得20μm的含铬氮合金扩散层。

Claims (6)

1.等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺，包括离子氮碳共渗及离子氮化技术，金属和非金属元素等离子共渗技术，其特征是：将离子氮碳共渗或离子氮化工艺与低温离子渗铬技术结合，全部工艺均在低于700℃的温度条件下进行，在钢铁材料表面形成含有铬碳氮或铬氮的表面合金层。

2.根据权利要求1所述的等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺，其特征是：在低于700℃下可同时进行氮、碳、铬共渗。

3.根据权利要求1所述的等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺，其特征是：所述的离子氮共渗或渗氮技术，在阳极与阴极，阳极与源极之间设置的电源为0～1500V的可调直流电源或脉冲电源，工作时，真空抽至1×10^-1Pa后，通过反应性气体氨气或甲烷、乙烷、丙烷、丙酮挥发气、酒精挥发气体，形成100Pa～5000Pa之间的工作气压，阴极与阳极之间电压在-300V～1000V，升温到560℃，保温5小时，缓冷到室温。

4.根据权利要求1所述的等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺，其特征是：所述的离子渗铬技术，充入的氩气，压力为10Pa～100Pa之间，加入直流电压或脉冲电压，使阴极与阳极之间的电压在-300V～1000V范围，源极与阳极的电压在-700V～1500V范围，低于700℃离子渗铬。

5.根据权利要求1所述的等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺，其特征是：所述的氮、碳、铬同时共渗技术，抽真空度1×10^-1Pa，之后通入氩气和氨气至100Pa，阴极电压-500V，源极电压-100V，将被渗材料升温560℃，保温5小时，缓冷到室温。

6.根据权利要求1所述的等离子复合处理低温形成铬碳氮表面合金层工艺，其特征是：阴极上的被渗工件表面冶金后，缓冷到室温，或者实施淬火。