CN103233196A - 一种齿轮钢快速离子氮化方法 - Google Patents

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李景才
王树凯
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Abstract

本发明属于金属表面化学热处理方法，尤其涉及一种齿轮钢快速离子氮化方法。本发明预渗氮试样表面采用空气进行预氧化的催渗方法，预氧化与离子渗氮在同一离子渗氮炉中进行，表面先在300~400℃预氧化30min，然后在500℃离子渗氮2~6h，本发明加快了渗氮速度，节约了气体的使用量，与同等条件下未经预氧化的齿轮钢离子氮化试样相比，氮化层厚度和表面硬度都有显著提高。本发明不用附加任何辅助设备，操作简单，预氧化气体为空气，成本低，而且预氧化温度较低，大幅度节约能源，降低能耗，节约处理成本；预氧化与离子氮化连续进行，同在离子氮化炉内进行处理，相比现有技术，操作简便易行。

Description

一种齿轮钢快速离子氮化方法
技术领域
本发明属于金属表面化学热处理方法，尤其涉及一种齿轮钢快速离子氮化方法。
背景技术
齿轮是在工业生产中应用最为广泛的零件，为了提高齿轮表面的耐磨性，通常采用的方法主要有：（1）气体渗氮；（2）盐浴渗氮；（3）离子渗氮等。离子渗氮作为一种清洁节能的表面改性的热处理方法，具有渗层均匀、方法简单、重复性好以及渗氮温度较低、能耗低、处理时间短、无污染等多种优点而受到广泛地应用。因此被广泛应用于提高齿轮表面的耐磨性。
但在现实处理操作过程中，在提高齿轮表面的硬度，又要兼顾氮化层的厚度，当氮化层厚度较浅，即使表面硬度较高，对于提高齿轮表面的耐磨性，疲劳性都是不利的。为了达到以上目的，工厂实际一般较长时间的氮化处理时间，有的甚至要达到数十小时，而且处理温度一般在550℃左右，处理成本高，处理周期长。虽然已经发明了各种催渗方法，例如：电场催渗，稀土催渗，多元素共渗催渗，但具体到实际操作，都有一定的局限性，比如稀土元素，电场的附加不容易实现等不足之处。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种齿轮钢低温、快速离子氮化方法。预渗氮试样表面进行预氧化的催渗方法，预氧化与离子渗氮在同一离子渗氮炉中进行，采用空气作为预氧化气体，表面先在300~400℃预氧化30min，然后在500℃离子渗氮2~6h，与同等条件下未经预氧化的齿轮钢离子氮化试样相比，氮化层厚度，表面硬度都有显著提高。
实现本发明目的的技术方案是：一种齿轮钢快速离子氮化方法；其特包括如下步骤：
（1）从齿轮钢上取样，制成标准试样，并进行预磨、抛光处理；
（2）除去试样上的油污：试样在有机溶剂中进行清洗、烘干；
（3）将清洗的试样置入离子氮化设备的真空室内，抽真空至10Pa以下进行起辉；
（4）通入氢气进行离子轰击清洗，调节电流和电压，待炉温升至300℃~400℃时，逐步降低氢气的流量至零，同时通入空气对试样进行预氧化，设定空气流量为3L/min，维持预氧化温度20~40min；
（5）预氧化结束后，逐步减少空气流量至零，同时通入氮气和氢气，氮气和氢气流量分别为100mL/min和300mL/min，设定离子渗氮气氛压力为100~300Pa，当温度升至500℃时开始计时进行离子渗氮，保温时间为2~6h；
（6）离子渗氮结束后逐渐减小氢气流量至零，将给定电流和电压调至零，待炉温降至100℃后切断氮气流，冷却到室温将试样取出。
上述技术方案，所述预氧化温度为300℃，预氧化时间为30min。
上述技术方案，所述离子渗氮气氛压力为200Pa，保温时间为4h。
上述技术方案，所述齿轮钢试样离子氮化后表面渗层深度为470~570μm，白亮层厚度为7.5~12.5μm。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
（1）本发明克服了现有离子渗氮处理周期较长，温度较高的缺点，提高了渗氮速度。在预氧化阶段，工件表面形成薄薄的一层氧化膜，氧化膜松散，多缺陷，表面自由能很高，对氮化物有很强的吸附性，显著提高了工件表面的氮含量，因此加快了渗氮速度，节约了气体的使用量，与没经预氧化的工件相比，相同处理温度氮化层厚度提高了一倍多；
（2）本发明不用附加任何辅助设备，操作简单，预氧化气体为空气，成本低，而且预氧化温度较低，大幅度节约能源，降低能耗，节约处理成本；预氧化与离子氮化连续进行，同在离子氮化炉内进行处理，相比现有技术，操作简便易行。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明300℃预氧化30min，500℃离子渗氮4h金相图片；
图2为本发明350℃预氧化30min，500℃离子渗氮4h金相图片；
图3为本发明400℃预氧化30min，500℃离子渗氮4h金相图片。
具体实施方式
本发明一种齿轮钢快速离子氮化方法包括如下步骤：
（1）从齿轮钢上取样，制成标准试样，并进行预磨、抛光处理；
（2）除去试样上的油污：试样在有机溶剂中进行清洗、烘干；
（3）将清洗的试样置入离子氮化设备的真空室内，抽真空至10Pa以下进行起辉；
（4）通入氢气进行离子轰击清洗，调节电流和电压，待炉温升至300℃~400℃时，逐步降低氢气的流量至零，同时通入空气对试样进行预氧化，设定空气流量为3L/min，维持预氧化温度20~40min；
（5）预氧化结束后，逐步减少空气流量至零，同时通入氮气和氢气，氮气和氢气流量分别为100mL/min和300mL/min，设定离子渗氮气氛压力为100~300Pa，当温度升至500℃时开始计时进行离子渗氮，此时电流1.5A，电压750V，保温时间为2~6h；
（6）离子渗氮结束后逐渐减小氢气流量至零，将给定电流和电压调至零，待炉温降至100℃后切断氮气流，冷却到室温将试样取出。
具体包括以下三个实施例：
（实施例1）
除去试样上的油污，将试样浸入有机溶剂中进行清洗、烘干后将试样置入离子氮化设备的真空室内，抽真空到10Pa以下通入氢气进行离子轰击清洗，待炉温升至300℃时通入空气，设定空气流量为3L/min，保温30min进行预氧化。时间达到后，通入氮气和氢气，设定1/3的N2/H2比例，氮气和氢气流量分别为100mL/min和300mL/min，调整离子渗氮气氛压力为200Pa，当达到500℃时保温4h进行离子渗氮，实验结束后取出试样，并对试样进行金相观察前的预处理，最后进行金相观察，表面硬度测试。
实验结果：见图1，在300℃预氧化30min，所达到的渗层深度为570μm，白亮层厚度为12.5μ，表面硬度为773HV0.05。不进行预氧化的离子渗氮的渗层深度仅为370μm，白亮层厚度为6.5μm，表面硬度为731HV0.05。可见，空气预氧化可显著提高齿轮钢离子渗氮后的渗层和白亮层厚度及表面硬度。
（实施例2）
除去试样上的油污，将试样浸入有机溶剂中进行清洗、烘干后将试样置入离子氮化设备的真空室内，抽真空到10Pa以下通入氢气进行离子轰击清洗，待炉温升至350℃时通入空气，设定空气流量为3L/min，保温30min进行预氧化。时间达到后，通入氮气和氢气，设定1/3的N2/H2比例，氮气和氢气流量分别为100mL/min和300mL/min，调整离子渗氮气氛压力分别200Pa，当达到500℃时保温4h进行离子渗氮，实验结束后取出试样进行金相观察前的预处理，最后进行金相观察。
实验结果：见图2，在350℃预氧化30min，所达到的渗层深度为570μm，白亮层厚度为10.0μm。不进行预氧化的离子渗氮的渗层深度仅为370μm，白亮层厚度为6.5μm。
（实施例3）
除去试样上的油污，将试样浸入有机溶剂中进行清洗、烘干后将试样置入离子氮化设备的真空室内，抽真空到10Pa以下通入氢气进行离子轰击清洗，待炉温升至400℃时通入空气，设定空气流量为3L/min，保温30min进行预氧化。时间达到后，通入氮气和氢气，设定1/3的N2/H2比例，设定氮气和氢气流量分别为100mL/min和300mL/min，调整离子渗氮气氛压力分别200Pa，当达到500℃时保温4h进行离子渗氮，实验结束后取出试样进行金相观察前的预处理，最后进行金相观察，表面硬度测试。
实验结果：见图3，在400℃预氧化30min，所达到的渗层深度为470μm，白亮层厚度为7.50μ。不进行预氧化的离子渗氮的渗层深度仅为370μm，白亮层厚度为6.5μm。
由上述实验结果可知，在300℃空气预氧化30min，渗层深度和白亮层厚度最大，可见300℃为最佳预氧化温度；另外，经过空气预氧化的齿轮钢离子氮化试样渗层深度和白亮层厚度均明显大于同等条件下没有预氧化的渗层深度和白亮层厚度，可见预氧化对明显提高渗层厚度、缩短渗氮时间，达到了节能减排，节约生产成本的目的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种齿轮钢快速离子氮化方法；其特征在于：包括如下步骤：
（1）从齿轮钢上取样，制成标准试样，并进行预磨、抛光处理；
（2）除去试样上的油污：试样在有机溶剂中进行清洗、烘干；
（3）将清洗的试样置入离子氮化设备的真空室内，抽真空至10Pa以下进行起辉；
（4）通入氢气进行离子轰击清洗，调节电流和电压，待炉温升至300℃~400℃时，逐步降低氢气的流量至零，同时通入空气对试样进行预氧化，设定空气流量为3L/min，维持预氧化温度20~40min；
（5）预氧化结束后，逐步减少空气流量至零，同时通入氮气和氢气，氮气和氢气流量分别为100mL/min和300mL/min，设定离子渗氮气氛压力为100~300Pa，当温度升至500℃时开始计时进行离子渗氮，保温时间为2~6h；
（6）离子渗氮结束后逐渐减小氢气流量至零，将给定电流和电压调至零，待炉温降至100℃后切断氮气流，冷却到室温将试样取出。
2.根据权利要求1所述的齿轮钢快速离子氮化方法，其特征在于：所述预氧化温度为300℃，预氧化时间为30min。
3.根据权利要求1所述的齿轮钢快速离子氮化方法，其特征在于：所述离子渗氮气氛压力为200Pa，保温时间为4h。
4.根据权利要求1~3任一项权利要求所述的齿轮钢快速离子氮化方法，其特征在于：所述齿轮钢试样离子氮化后表面渗层深度为470~570μm，白亮层厚度为7.5~12.5μm。
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