CN103789721A - 中、低碳合金结构钢循环变压快速气体氮化方法 - Google Patents

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Abstract

一种中、低碳合金结构钢循环变压快速气体氮化方法，将中、低碳合金结构钢工件置于一种增压高温氮化装置中，排尽空气后将炉温升高至500～650℃，通入NH3至炉内压力达到0.1～0.5MPa，控制NH3流量在0.5～2L/min，进行气体氮化处理1～5h，然后调整炉内NH3至压力到0～0.05MPa，控制NH3流量为0.5～1L/min，进行气体氮化处理1～5h，如此循环重复变压处理1～5次后，在NH3中随炉冷却至150℃以下或直接油冷。本发明方法不仅能够大幅度增加中、低碳合金结构钢的氮化速率及氮化层厚度，还可显著提高工业零件上的盲孔、狭缝等处的氮化能力以及叠装、散装工件的表面氮化均匀性。

Description

中、低碳合金结构钢循环变压快速气体氮化方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面化学热处理方法，特别是对中、低碳合金结构钢表面的化学热处理方法。
背景技术
中、低碳轴类、齿轮等结构件在实际应用时，很多需要进行气体氮化处理以提高其表面硬度、耐磨及抗疲劳性能等，然而气体氮化工艺实施过程通常消耗较长的时间（20～100h），并且常会遇到一些具备长孔、盲孔或狭缝的零件，该类带孔或缝的内侧面对耐磨性的要求有时也较高，但通过常规气体氮化方法很难达到其工艺要求。另一方面，对于某些批量较大的散装工件，表面会不可避免地接触甚至重叠，采用常规气体氮化将无法保证零件表面的氮化均匀性。
专利（公开号CN103160774A）《中、低碳合金结构钢表面增压气体氮化方法》采用增加氮化压力的方法提高工件表面氮化速率，节约了氮化时间，但表层的高氮浓度可能会增加工件表面的脆性；文献《真空脉冲渗氮研究》采用真空脉冲氮化工艺优化了氮化工艺，减小了工件表面脆性，得到了较均匀的氮化层；文献《低压脉冲渗氮的研究》也通过脉冲氮化方法改善了氮化效果，提高了氮化层质量。然而，真空或低压脉冲氮化工艺中的介质压力是较低的，而且常规分段式或循环氮化通常是以改变渗氮温度的方法调整分解率以控制氮势，并且压力维持在常压（0MPa）,这就意味着其氮化速率的提高是有限的，以至于仍然难以实现氮化层的快速增厚。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现短时深层氮化、具备优良的孔隙氮化能力且氮化层致密均匀的中、低碳合金结构钢循环变压快速气体氮化方法。本发明主要是采用介质在重复改变压力（0.1～0.5MPa）的条件下进行氮化处理，在中、低碳合金结构钢表面快速形成均匀的氮化层。
本发明的方法如下：
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，排尽空气后将炉温升高至500～650℃，通入NH3至炉内压力达到0.1～0.5MPa，控制NH3流量在0.5～2L/min，进行气体氮化处理1～5h，然后使炉内NH3压力降至0～0.05MPa，控制NH3流量在0.5～1L/min，进行气体氮化处理1～5h，此为一次变压氮化处理工艺完成。如此循环重复变压处理1～5次后，通入NH3随炉冷却至150℃以下或直接油冷。
第一阶段氮化属于高速强渗阶段，压力的提高显著提高工件表面氮势，增加炉气中的气体密度、动能及压力梯度，从而大量氮原子堆积于工件表面，并快速形成富氮相；第二阶段降低氮化压力，以起到一定的退氮作用，降低富氮相的生长速度，甚至使其部分分解，从而缓解了富氮层对氮化过程中氮原子进入表层的阻碍作用，并使氮的扩散速度及氮化层深度均增加且表层脆性得到改善。
重复变压充入和排出NH3可持续保证炉内尤其氮化零件表面介质的新鲜程度，提高表面活性，从而有效促进零件表面氮原子的吸附及界面反应速度，提高氮化速率，还可以克服某些装炉量较大的工件因重叠堆放或部分接触而造成的表面氮化不均匀性，形成致密且氮浓度梯度平缓的氮化表层。
加压和新鲜介质的重复充入都可以增加孔或狭缝等部位氨气的流量，从而提高其氮化能力。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
方法简单易于操作，能够大幅度提高中、低碳合金结构钢的氮化速率，增加氮化层厚度，还可显著提高工业零件上的盲孔、狭缝等处的氮化能力以及叠装、散装工件的表面氮化均匀性。
附图说明
图1是本发明实施例1的循环变压气体氮化工艺曲线图。
图2是本发明实施例2的氮化层微观组织图。
具体实施方式
实施例1：
将42CrMo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，排尽空气后将炉温升高至500℃，通入NH3至炉内压力达到0.1MPa，控制NH3流量为2L/min，进行气体氮化处理1h，然后降低炉内NH3压力至0MPa，控制NH3流量在0.5L/min，进行气体氮化处理1h，此为一次循环氮化处理结束，经如此循环处理5次后，在NH3中随炉冷却至100℃。循环变压气体氮化工艺曲线如图1所示。经测试氮化层深度为410μm左右，工件表面显微硬度为730～750Hv.
实施例2：
将38CrMoAlA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，排尽空气后将炉温升高至560℃，通入NH3至炉内压力达到0.5MPa，控制NH3流量为1L/min，进行气体氮化处理2h，然后降低炉内NH3压力至0.05MPa，控制NH3流量在0.5L/min，进行气体氮化处理2h，此为一次循环氮化处理结束，如此循环处理2次后，直接油冷。测得氮化层深度为460μm左右，工件表面显微硬度为1050Hv。如图2所示，氮化效率较常规气体渗氮大幅度提高。
实施例3
将20CrMnTi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，排尽空气后将炉温升高至650℃，通入NH3至炉内压力达到0.25MPa，控制NH3流量为0.5L/min，进行气体氮化处理5h，然后降低炉内NH3压力至0MPa，控制NH3流量在1L/min，进行气体氮化处理5h，此为一次循环氮化处理结束，在NH3中随炉冷却至100℃。测得氮化层深度为550μm左右，工件表面显微硬度为630～650Hv。

Claims (1)

1.一种中、低碳合金结构钢循环变压快速气体氮化方法，其特征在于：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，排尽空气后将炉温升高至500～650℃温度范围，通入NH3至炉内压力达到0.1～0.5MPa，控制NH3流量在0.5～2L/min，进行气体氮化处理1～5h，然后排出炉内NH3至压力至0～0.05MPa，控制NH3流量在0.5～1L/min，进行气体氮化处理1～5h，此为一次变压氮化处理工艺完成，如此循环重复变压处理1～5次后，通入NH3随炉冷却至150℃以下或直接油冷。
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