CN103046058B - 一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法。它具有可控制造金属表层晶体缺陷和高速精准加热零件表层的优点。该方法包括以下步骤：（1）将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳、渗氮的零件表面之间留有15~100mm的间距，不需要渗碳、渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间；（2）渗氮或渗碳处理：通过热气流发生器将渗氮剂加热至300~500℃，或将渗碳剂加热至650~800℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将弹丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷，同时提高零件的表面温度；渗氮处理时间为0.5~6小时，渗碳处理时间为0.5~4小时；（3）渗后冷却。

Description

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法

技术领域

本发明涉及一种实现渗氮或渗碳的方法，具体涉及一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法。

背景技术

渗氮和渗碳是两种非常常见的金属表面热处理方法，两者虽然介质不同，适用范围不同，但是处理工艺上却颇为相似。

渗氮是将钢件置于含氮的活性介质中，在一定的温度下，使氮原子扩散进入钢件表面，从而形成一层以氮化物为主的渗层组织以提高渗层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等多种性能的化学热处理工艺。

渗氮时，我们向渗氮环境提供热量来获得渗剂中的活性氮原子以及加大渗层金属晶体原子的振动幅度以求为氮原子提供空间和相应的扩散速度。

渗氮工艺主要有以下优点

（1）处理温度低。普通渗氮一般在480℃—650℃，渗氮后不需再进行淬火强化，渗后一般不需要进一步加工就可使用。

（2）表面形成氮化物相，渗层硬度高、耐磨性好；抗咬合性、疲劳性能和耐腐蚀性也相当好。

但是，传统的渗氮工艺也有其致命的不足之处，即由于渗氮温度低，因而渗氮速度慢，工艺周期相当长，一般需要几十小时或近百小时，所以渗氮是一种费时、费电、成本很高效率很低的热处理工艺。由此，大大抵消了渗氮工艺的优点，长期而严重的阻碍着该项技术的应用和发展，如何缩短渗氮时间，提高扩散速度就成了该工艺发展过程中的长期命题。

显而易见，为了获得介质中的活性氮原子和其在金属中的扩散速度以及为了加大金属晶体原子的振动幅度，在传统渗氮所提供的能量中，一部分热量被用来加热体积占比为98%以上的金属零件渗氮层以外的金属体积；另一部分热量用来加热炉膛环境并被散失掉。这两部分热量加起来可达输入总热量的95%以上，真正用到体积占比不到3%的渗层上的有效热量是很少的。这就表明，在传统渗氮工艺中，为了获得不到5%的效果，却长期投入着100%的代价。这就是为什么传统渗氮工艺周期长、效率低、耗能高和成本高的原因所在。

传统渗氮工艺，氮原子的吸收和扩散是一个被动过程。人们只能通过向宏观环境提供热量以强迫氮原子渗入零件表面。从能量形式和零件表层晶体结构来讲，零件表层没有形成对氮原子的吸引力，也没有为氮原子的渗入提供通道，零件表层只是被动地接受氮原子的渗入。在渗氮期间，人们提供的热能大部分被散失掉，只有极少部分用于氮原子向零件表面的渗入过程。

上述分析说明，要向渗氮环境提供有效能量，即：仅向渗层金属提供能量，而不是粗放地向渗层以外的整体环境提供能量。要使所提供的能量具有最大限度的靶向性、精准性以提高效率、降低消耗。

中国专利200910040165.0公开了一种汽车轮胎模具的快速节能气体软氮化方法，采用增压喷丸方法对置于具有增压系统的喷丸设备的料盘中的轮胎模具零件进行表面纳米化处理，喷丸处理完毕后进行渗氮工艺处理。该专利减少了5小时的渗氮时间。

该专利所述实施步骤是分两步进行的。第一步，首先将被处理零件进行喷丸处理，其目的是制造晶体缺陷，为氮原子提供扩散通道。第二步，将喷丸后的零件重新置入渗氮炉中进行传统工艺渗氮处理，渗氮温度是570℃。该专利称可将渗氮时间比传统渗氮时间减少5小时，这是从文字上可以看到的该技术所取得的唯一成果。

金属零件在进行喷丸处理时确实能产生晶体缺陷，这是众所周知的常识。但是，需要强调指出的是：根据材料科学基础和金属学原理及常识可知，这些晶体缺陷是处于高能量且高度不稳定状态，在随后的渗氮加热过程中，这些缺陷因为被加热而在氮原子渗入之前就会消失殆尽。因此，该专利中所述的原理及方法存在重大缺陷，无法推理和想象该专利所述的喷丸处理时所得到的晶体缺陷能对之后的渗氮处理时为氮原子提供其扩散通道这一设想。

渗碳是将低碳钢零件，在渗碳介质（渗碳剂）中加热到900℃-950℃，使碳原子渗入其表面层，获得高碳渗层，再进行淬火并低温回火，在零件心部得到高韧性的条件下，获得高硬度马氏体表面层，从而提高零件的疲劳强度和耐磨性的一种古老的化学热处理工艺。

渗碳具有极高的工业意义和价值。经过渗碳后的低碳钢零件，其心部和基体仍然保持低碳钢的成分、组织结构，因而仍然保持着良好的塑性，较高的韧性和耐冲击性能；而表层获得了高碳钢的成分和组织结构，因而具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度。这种在一个单体零件上具有双重成分、组织结构进而具有双重机械性能的特性，极大地满足了机械零件的工程需要。

渗碳是碳原子在固体零件表面吸附并且向固体内部扩散的过程，因而是一个漫长和艰难的过程。为此，需要向渗碳炉内输入大量热量用以加热炉膛和零件整体，而渗碳只发生在表层0.0-3.0mm处，因此，传统渗碳方式90%以上的能量是无效的，被浪费掉了。只有不到10%的能量用于渗碳过程。

传统渗碳的物理机制是，将零件加热到900℃-950℃高温用来增加钢铁晶体原子的振动幅度以增加相邻铁原子的距离为碳原子的进入提供空间。显然，这是一个异常艰难的过程，因此，传统渗碳是一个周期长，成本高，消耗巨大的工艺。

中国专利（专利号：2004100110347，专利名称：汽车变速箱齿轮渗碳后激光焊接方法），中国专利（专利号：2007101906846，专利名称：圆孔薄壁类零件渗碳淬火方法），虽然都提到了渗碳和喷丸技术，但是它们的喷丸都是在渗碳结束后才进行的，众所周知，现有的渗碳结束后的喷丸工艺的作用仅仅是通过喷丸手段达到形变强化目的，与渗碳过程毫不相干，更谈不上对渗碳过程有什么贡献。现有渗碳技术中将零件加热到900℃-950℃高温会严重破坏零件的精度，高温带来的弊端一直是业内人士难以解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法。它具有可控制造金属表层晶体缺陷和高速加热零件表层的优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法，包括以下步骤：

（1）将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳、渗氮的工零件表面之间留有15~100mm的间距，不需要渗碳、渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗氮或渗碳处理：通过热气流发生器将渗氮剂加热至300~500℃，或将渗碳剂加热至650~800℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将弹丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷，同时提高零件的表面温度；渗氮处理时间为0.5~6小时，渗碳处理时间为0.5~4小时；

（3）渗后冷却。

步骤（1）中，零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净。

步骤（2）中，所述弹丸为圆形钢丝切丸，其直径为0.51~2.0mm。

步骤（2）中，所述渗氮剂为无水氨气，在渗氮处理时，向热气流发生器通入无水氨气，并将热气流喷向零件表面。

步骤（2）中，所述渗碳剂为煤油、丙酮或渗碳油。

步骤（2）中，渗氮处理时，控制氨分解率为15~45%，渗层组织为索氏体和氮化物，不出现ε氮化物；渗层厚度为0.10~1.5mm。

步骤（2）中，渗碳处理时，用碳势探测器和计算机自动控制或用滴/min的办法控制，零件表层碳势为0.7%-1.2%，渗层厚度为0.5~3mm，渗层残余奥氏体量为0~5%，二次碳化物析出量为0~4%。

本发明的原理是：

本发明是根据材料科学基础与金属学的基本原理，通过热气流发生器将渗氮剂加热至300~500℃，或将渗碳剂加热至650~800℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将弹丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷。弹丸将携带的动能与零件表面进行能量交换，其动能被零件表面吸收后转化成两种能量形式：一部分使零件表层晶体点阵原子激活脱位，形成空位，原子疏松区、位错垒、亚晶界等晶体缺陷，这些缺陷所产生的应力场形成对碳、氮原子的吸引力以对碳、氮原子提供微观力学支持，降低激活能和渗入阻力，同时，这些缺陷还是碳、氮原子的扩散通道。另一部分转化成热能快速加热渗层。这为低温、快速渗氮或渗碳提供了重要环境。

本发明与中国专利200910040165.0的本质区别在于：本发明实施喷丸处理与热气流喷射加热这两个动作同时进行。只有这两个动作同时进行，才能保证喷丸所取得的成果（获得零件表层晶体缺陷，为碳、氮原子的扩散提供通道）立刻被碳、氮原子的吸收和扩散所利用，从而实现降低渗碳及渗氮温度，大幅缩短渗碳及渗氮时间的效果。

本发明的有益效果：

本发明所采用的方法可以使零件表面主动吸引碳、氮原子附着表层并，为碳、氮原子的扩散提供了大量通道。从而使渗氮、渗碳过程由零件对碳、氮原子的被动渗入变为主动吸入碳、氮原子。由于提供了热气流喷射加热与喷丸这种能量供给方式，从而实现了仅对渗层区域提供能量的设想，使得能量供给具有很强的靶向性和精准性。从而大幅提高了能量的利用率，大幅降低了能量的损耗、大幅提高了渗氮或渗碳效率，大幅降低因渗碳、渗氮变形对零件精度的破坏，可使废品率大幅降低，从而大幅度提高渗氮、渗碳质量和精度以及渗氮、渗碳零件的使用寿命，可导致渗氮、渗碳工艺得以更大范围应用并由此进入更大实用化阶段。

本发明与传统渗氮或渗碳的对比优势：

1、传统渗氮，氮原子或碳原子在零件表面的吸收和扩散完全是一个被动过程，金属表面晶体原子只是通过增大振幅被动接受氮原子或碳原子。而弹丸撞击金属表面时，由于晶体缺陷应力场的吸引作用，金属表面将产生吸引力，主动吸入氮原子或碳原子并提供通道使其快速扩散。

2、传统渗氮或渗碳方式所使用的热量用来对炉膛和零件整体加热，这其中95%是无效热量，被浪费掉了。本发明通过热气流喷射加热与喷丸方式可以将所需能量精准输入到渗层部位，而渗层以外的其他部位不再消耗能量，这将大幅度降低能耗，节能减排。

本发明将会使渗氮温度降低至300℃~500℃（传统渗氮温度需要500℃~650℃），缩短时间50%~80%，降低能耗80%，大幅度提高零件精度，大幅降低零件变形量，产品合格率达98%以上。

渗碳温度降低至650-800℃（传统渗碳温度需要900℃-950℃），明显降低了渗碳温度，大幅缩短了渗碳时间，大幅减少了渗碳变形，大幅提高了零件的精度，产品合格率达98%以上。延长了化学热处理炉的寿命，大幅降低了渗碳成本。

附图说明

图1是本发明中化学热处理炉的结构示意图；

其中，1.热气流发生器，2.热气流喷嘴，3.抛丸器，4.淬火槽，5.淬火活门，6.弹丸收集箱，7.提升机，8弹丸溢出管，9.流量控制阀，10.加热炉，11.渗碳剂容器，12.失能弹丸收集通道，13.筛分选器，14.废料箱，15.贮丸器，16.零件。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

以下零件均以齿轮零件为例进行说明，但不局限于此。

实施例1：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗氮的零件表面之间留有15mm的间距，不需要渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗氮处理：向零件表面喷射渗氮气氛，排除零件周围的空气；通过热气流发生器将氨气加热至300℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为0.51mm，与此同时，热气流喷射至零件表面；根据零件不同服役条件，；渗氮处理的时间为0.5小时；控制氨分解率为15%；渗层深度为0.20mm；控制渗层组织为极为细小的索氏体和氮化物，不出现ε氮化物；

（3）渗后冷却。

实施例2：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗氮的零件表面之间留有25mm的间距，不需要渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗氮处理：向炉内零件表面喷射渗氮气氛，排除零件周围的空气；通过热气流发生器将氨气加热至500℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为2.0mm，与此同时，热气流喷射至零件表面；根据零件的不同服役条件，渗氮处理时间为6小时；控制氨分解率为25%；渗层深度为1.5mm；控制渗层组织为极为细小的索氏体和氮化物，不出现ε氮化物；

（3）渗后冷却。

实施例3：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗氮的零件表面之间留有40mm的间距，不需要渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗氮处理：向炉内零件喷射渗氮气氛，排除零件周围的空气；通过热气流发生器将氨气加热至400℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为1.0mm，与此同时，热气流喷射至零件表面；根据零件的不同服役条件，渗氮处理的时间为3小时；控制氨分解率为18%；渗层深度为0.9mm；控制渗层组织为极为细小的索氏体和氮化物，不出现ε氮化物；

（3）渗后冷却。

实施例4：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗氮的零件表面之间留有75mm的间距，不需要渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗氮处理：向炉内零件喷射渗氮气氛，排除零件周围的空气；通过热气流发生器将氨气加热至450℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为1.5mm，与此同时，热气流喷射至零件表面；根据零件的不同服役条件，渗氮处理的时间为4小时；控制氨分解率为22%；渗层深度为1.2mm；控制渗层组织为极为细小的索氏体和氮化物，不出现ε氮化物；

（3）渗后冷却。

实施例5：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗碳的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳的零件表面之间留有20mm的间距，不需要渗碳的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗碳处理：通过热气流发生器将渗碳剂煤油、丙酮或渗碳油加热至650℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为0.51mm；用碳势探测器和计算机自动控制或用滴/min的办法控制，渗碳处理时间为0.5小时；零件表层碳势为0.7%，渗层厚度为0.5mm，渗层残余奥氏体量为0，二次碳化物析出量为0。

（3）渗后冷却。

实施例6：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗碳的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳的零件表面之间留有100mm的间距，不需要渗碳的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗碳处理：通过热气流发生器将渗碳剂煤油、丙酮或渗碳油加热至800℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为2.0mm；用碳势探测器和计算机自动控制或用滴/min的办法控制，渗碳处理时间为4小时；零件表层碳势为1.2%，渗层厚度为3mm，渗层残余奥氏体量为5%，二次碳化物析出量为4%。

（3）渗后冷却。

实施例7：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗碳的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳的零件表面之间留有50mm的间距，不需要渗碳的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗碳处理：通过热气流发生器将渗碳剂煤油、丙酮或渗碳油加热至700℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为1.0mm；用碳势探测器和计算机自动控制或用滴/min的办法控制，渗碳处理时间为1.5小时；零件表层碳势为0.9%，渗层厚度为1.5mm，渗层残余奥氏体量为1%，二次碳化物析出量为2%。

（3）渗后冷却。

实施例8：

一种热气流喷射加热与喷丸实现渗碳的方法，包括以下步骤：

（1）零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净，将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳的零件表面之间留有75mm的间距，不需要渗碳的表面相互靠近贴实以节省空间；

（2）渗碳处理：通过热气流发生器将渗碳剂煤油、丙酮或渗碳油加热至750℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将圆形钢丝切丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷；钢丝切丸的直径为1.5mm；用碳势探测器和计算机自动控制或用滴/min的办法控制，渗碳处理时间为3小时；零件表层碳势为1.0%，渗层厚度为2.5mm，渗层残余奥氏体量为2%，二次碳化物析出量为2%。

（3）渗后冷却。

在实施例1~8中，所涉及的化学热处理炉包括加热炉10、抛丸机、热气流发生器1、热气流喷嘴2、淬火槽4、渗氮剂或渗碳剂容器11，抛丸机的贮丸器15设于加热炉10外部的上方，热气流喷嘴2、以及抛丸机的抛丸器3设于加热炉10内，抛丸器3与贮丸器15连接，热气流喷嘴2通过管道与热气流发生器1连接，热气流发生器1与渗碳剂容器11连接，加热炉10底部通过淬火活门5与淬火槽4连接，加热炉10下部设有失能弹丸收集通道12，炉膛通过失能弹丸收集通道12与弹丸收集箱6连接。

热气流发生器1与渗碳剂容器11之间设有流量控制阀9。

加热炉与碳势探测器连接，碳势探测器与计算机自动控制系统连接，计算机自动控制系统与流量控制阀9连接。在渗碳过程中通过碳势探测器和计算机自动控制渗碳介质的滴注速度。

抛丸器3按照零件需要设有多个。

抛丸器3与弹丸收集箱6之间设有提升机7。

贮丸器4上部设筛分选器13，贮丸器15的上部通过弹丸溢出管8与弹丸收集箱6连接，筛分选器13与废料箱14连接。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）将清洗干净的零件安装到化学热处理炉内，需要渗碳、渗氮的零件表面之间留有15~100mm的间距，不需要渗碳、渗氮的表面相互靠近贴实以节省空间； 

（2）渗氮或渗碳处理：通过热气流发生器将渗氮剂加热至300~500℃，或将渗碳剂加热至650~800℃，经热气流喷嘴喷射至零件表面以高速加热零件表层，同时，利用抛丸机将弹丸喷射到零件表面以制造金属表层晶体缺陷，同时提高零件的表面温度；渗氮处理时间为0.5~6小时，渗碳处理时间为0.5~4小时； 

（3）渗后冷却； 

所述化学热处理炉包括加热炉、抛丸机、热气流发生器、热气流喷嘴、淬火槽、渗氮剂或渗碳剂容器，抛丸机的贮丸器设于加热炉外部的上方，热气流喷嘴、以及抛丸机的抛丸器设于加热炉内，抛丸器与贮丸器连接，热气流喷嘴通过管道与热气流发生器连接，热气流发生器与渗碳剂容器连接，加热炉底部通过淬火活门与淬火槽连接，加热炉下部设有失能弹丸收集通道，炉膛通过失能弹丸收集通道与弹丸收集箱连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，零件以汽油、酒精或丙酮将其表面的污垢清洗干净。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述弹丸为圆形钢丝切丸，其直径为0.51~2.0mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述渗氮剂为无水氨气，在渗氮处理时，向热气流发生器通入无水氨气，并将热气流喷向零件表面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述渗碳剂为煤油、丙酮或渗碳油。