CN103774086A - 中、低碳合金结构钢两段快速气体氮化方法 - Google Patents

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傅万堂
周泽安
王博
吕知清
王振华
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曲明贵
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Abstract

一种中、低碳合金结构钢两段快速气体氮化方法，将中、低碳合金结构钢工件置于一种增压高温氮化装置的固溶氮化炉中，排尽空气并将炉温升至500～530℃温度范围，通入NH3至炉内压力至0.1～0.5MPa，控制NH3分解率在15～30%，进行1～10小时的第一段气体氮化处理；然后继续升高炉温至530～580℃，并重新调解炉内压力至0～0.05MPa，控制NH3分解率在40～60%，进行1～10小时的第二段气体氮化处理；最后在NH3中随炉冷却至150℃以下或直接油冷。本发明能够大幅度提高中、低碳合金结构钢的氮化速率、增加氮化层的厚度和均匀性，降低工件表面氮化层的脆性，实现快速气体氮化。

Description

中、低碳合金结构钢两段快速气体氮化方法
技术领域
本发明涉及金属表面化学热处理方法，特别是对中、低碳合金结构钢表面的表面化学热处理方法。
背景技术
常用轴类、齿轮等结构件在实际应用时常需要氮化处理以提高其表面硬度、耐磨及抗疲劳性能等。常规的气体氮化工艺时间很长，一般都在几十甚至上百小时，氮化层深度较浅，无法满足某些大尺寸零件的承载能力要求，并且对于模数较大的齿轮件会产生疲劳点蚀甚至剥落。另一方面，常规气体氮化方法在某些具有长孔、盲孔或狭缝零件上的应用仍受到限制，无法满足孔或缝的内侧面的耐磨性需求。
为了获得更好的氮化效果，许多研究工作者改进了氮化工艺，提出了稀土催渗、表面预氧化氮化、表面纳米化气体氮化工艺等，但上述氮化工艺的共同点是：氮化速率并未得到实质性提高，以至于仍然难以实现氮化层的快速增厚。
发明内容
本发明目的在于提供一种工艺简单、成本低、能够提高氮化速率、增加氮化层的厚度和均匀性的中、低碳合金结构钢两段快速气体氮化方法。本发明主要是采用两步法通过改变温度和压力共同控制氮势进行氮化处理，在中、低碳合金结构钢表面形成氮化层。
本发明的技术方案如下：
（1）将中、低碳合金结构钢工件置于专利名称为“一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置”专利号为201210530358.6的固溶氮化炉中，排尽空气并将炉温升高至500～530℃，通入NH3至炉内压力到0.1～0.5MPa，控制NH3分解率在15～30%，进行1～10小时的第一段气体氮化处理；
（2）继续升高炉温至530～580℃，并重新调解炉内压力到0～0.05MPa，控制NH3分解率在40～60%，进行1～10小时的第二段气体氮化处理，尔后在NH3中随炉冷却至150℃以下或直接油冷。
第一段氮化中选取较低的氮化温度和较高的压力均保证了较低的NH3分解率，显著提高工件表面氮势，促进零件表面N原子的吸附，提高N活度、界面反应速度及孔类与狭缝的氮化能力，该阶段氮化过程中大量氮原子堆积于工件表面，并快速形成富氮层；第二阶段氮化属于扩氮阶段，更高的氮化温度和较低的压力将促进N的扩散并起到一定的退氮作用，减慢了富氮相的生长速度，甚至使富氮相部分分解，减小了富氮相对氮化过程中氮原子进入表层的阻碍作用，N扩散速度及氮化层深度均增加且表层脆性得到改善。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、工艺简单、成本低。
2、大幅度提高中、低碳合金结构钢的氮化速率。
3、能够增加氮化层的厚度和均匀性，降低工件表面氮化层的脆性。
附图说明
图1是本发明实施例1的两段气体氮化工艺曲线图。
图2是本发明实施例2的两段气体氮化层的微观组织图。
具体实施方式
实施例1：
将42CrMo钢加工成薄板悬挂于专利名称为“一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置”、申请号为201210530358.6的固溶氮化炉中，排尽空气并将炉温升高至500℃，通入NH3至炉内压力为0.25MPa，控制NH3分解率为15～20%，进行第一段气体氮化处理10小时，继续升高炉温至560℃，并重新调解炉内压力到0MPa，控制NH3分解率在50～60%，进行第二段气体氮化处理10小时，随后直接油冷。经测试所得氮化层厚度可达600μm以上，表层硬度可达750Hv。两段气体氮化工艺曲线如图1所示。
实施例2：
将20CrMnTi钢加工成薄板悬挂于专利名称为“一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置”申请号为201210530358.6的固溶氮化炉中，排尽空气并将炉温升高至530℃，通入NH3至炉内压力为0.1MPa，控制NH3分解率为20～30%，进行第一段气体氮化处理5小时，继续升高炉温至580℃，并重新调解炉内压力到0.05MPa，控制NH3分解率在50～60%，进行第二段气体氮化处理5小时，随后直接取出工件油冷。经测试，所得氮化层厚度可达300μm以上，表层硬度可达650Hv以上，如图2所示。
实施例3：
将38CrMoAl钢加工成薄板悬挂于专利名称为“一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置”申请号为201210530358.6的固溶氮化炉中，排尽空气并将炉温升高至520℃，通入NH3至炉内压力为0.5MPa，控制NH3分解率为15～20%，进行第一段气体氮化处理1小时，继续升高炉温至530℃，并重新调解炉内压力到0MPa，控制NH3分解率在40～50%，进行第二段气体氮化处理1小时，随后通NH3炉冷至100℃取出工件。按照本实施例方法所得氮化层厚度可达200μm，表层硬度可达1050Hv。

Claims (1)

1.一种中、低碳合金结构钢两段快速气体氮化方法，其特征在于：
（1）将中、低碳合金结构钢工件置于专利名称为“一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置”、专利号为201210530358.6的固溶氮化炉中，排尽空气并将炉温升高至500～530℃，通入NH3至炉内压力达到0.1～0.5MPa，控制NH3分解率在15～30%，进行1～10小时的第一段气体氮化处理；
（2）继续升高炉温至530～580℃，并重新调解炉内压力到0～0.05MPa，控制NH3分解率在40～60%，进行1～10小时的第二段气体氮化处理，尔后在NH3中随炉冷却至150℃以下或直接油冷。
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