CN103789722A - 一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法 - Google Patents

一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属表面化学热处理技术，旨在一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法。该方法对离子渗氮后的齿轮进行离子氧化处理，采用空气作为气源，在离子渗氮同一炉中进行，齿轮在560℃离子渗氮后，待温度降到350～450℃，通入空气氧化0.25～1h。本发明在齿轮渗氮层的表面生成一层以Fe3O4为主的致密氧化膜，与同等条件下未氧化的齿轮试样相比，离子氧化后的齿轮耐腐蚀性能得到明显提高，氮化层表面硬度梯度明显变缓。本发明操作简单，与其他氧化方法相比，不用添加任何辅助设备，氧化介质为空气，而且氧化温度较低，降低了能源的消耗，具有处理成本低和生产效率高等优点。

Description

一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法
技术领域
本发明属于金属表面化学热处理技术，旨在一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法。
背景技术
齿轮具有良好的综合性能，为满足其表面耐磨性能，通常采用渗氮方法，主要有：（1）离子渗氮；（2）盐浴渗氮；（3）气体渗氮等。离子渗氮化学热处理中开发最早、应用范围最广的一项技术，具有渗层均匀，效率高，污染少，处理时间短，工件变形小等优点而被广泛使用，已成为许多产品零件不可或缺的表面强化工艺。
但是实际工业应用中，由于齿轮工作环境的复杂性，在改善齿轮表面硬度的同时，还要兼顾其表面的电化学耐蚀性能，齿轮离子渗氮后在其表面生产了ε相通常是疏松多孔的，峰谷之间形成氧浓差电池，谷处缺氧容易受到腐蚀，形成孔蚀，一定程度上降低了其电化学腐蚀性能。且渗氮层较薄，脆性大，很容易脱落。为了克服以上缺陷，实际生产中一般采用盐浴氧化，真空炉氧化，表面涂层等方法，氧化介质大都为氧气或氢氧混合，操作复杂，处理成本较高等不足之处。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种操作简单且成本较低的显著提高齿轮的耐蚀性化学热处理方法。离子渗氮和氧化在同一离子渗氮炉中进行，齿轮在560℃渗氮，待温度降到350～450℃时继续通空气氧化0.25～1h。与同等条件下未氧化的齿轮相比，氧化之后的齿轮耐蚀性得到明显提高，氮化层表面硬度梯度明显变缓。
实现本发明目的的技术方案是：一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法；其特征包括如下步骤：
（1）将齿轮放入离子渗氮炉中，抽真空10～20Pa真空度后，调节电压、电流起辉，然后通入氢气进行离子溅射，溅射20～30min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例；
（2）待温度达到渗氮温度560℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为300～400Pa，保温时间由产品技术要求决定；
（3）离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门，待温度降到250～400℃时，再次抽取炉内气压至一定真空度，调节电压、电流起辉，同时通入氧化气体，设定氧化气体流量为3-5L/min，炉内气氛压力为50～150Pa，保温时间为0.25～1h；
（4）氧化结束后逐渐减少空气的流量至零，将电压、电流表示数调为零，继续通入氮气进行冷却，冷却到室温后将试样取出。
上述技术方案，所述离子渗氮气氛压力为400Pa，氮化时间由产品技术要求决定，通常为10～15h。
上述技术方案，所述氧化气氛压力为100Pa，氧化时间为0.25～1h，氧化温度为300℃，空气流量为4L/min。
上述技术方案，所述离子氮化后的齿轮在3.5%NaCl溶液中自腐蚀电位为-1100mV，经过后续离子氧化处理后齿轮自腐蚀电位为-1000mV。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
（1）本发明弥补了离子渗氮的不足之处，离子渗氮和氧化复合处理后化合物层发生调幅分解，合金氮化物弥散析出，渗氮层硬度得到不同程度的提高，进一步提高了渗氮层的综合性能。齿轮表面上生成一层致密的成份单一的氧化物Fe3O4，该氧化膜具有低的摩擦系数和高的化学稳定性，改善了渗氮件表面的电化学性能，显著提高了齿轮的耐蚀性能；
（2）本发明不用添加任何辅助设备，操作简单，后氧化介质为空气，而且氧化温度较低，降低了能源的消耗，具有处理成本低和生产效率高等优点；氧化与离子渗氮连续进行，并且在同一离子渗氮炉内，相比现有的氧化技术，该技术操作简单易行。
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为本发明离子渗氮后的齿轮在氧化温度为300℃，氧化时间为0.25h的3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线；
图2为本发明离子渗氮后的齿轮在氧化温度为300℃，氧化时间为0.5h的3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线；
图3为本发明离子渗氮后的齿轮在氧化温度为300℃，氧化时间为1h的3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线。
具体实施方式
本发明一种显著提高齿轮耐蚀性化学热处理方法包括如下步骤：
（1）将齿轮放入离子渗氮炉中，抽真空10～20Pa真空度后，调节电压、电流起辉，然后通入氢气进行离子溅射，溅射20～30min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例；
（2）待温度达到渗氮温度560℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为300～400Pa，保温时间由产品技术要求决定；
（3）离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门，待温度降到氧化温度250～400℃时，再次抽取炉内气压至一定真空度，调节电压、电流起辉，同时通入氧化气体，设定氧化气体流量为3～5L/min，炉内气氛压力为50～150Pa，保温时间为0.25～1h；
（4）氧化结束后逐渐减少空气的流量至零，将电压、电流表示数调为零，继续通入氮气进行冷却，冷却到室温后将试样取出。
具体包括以下三个实施例：
（实施例1）
将42CrMo齿轮放入离子渗氮炉中，抽真空至一定真空度后，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射一定时间后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例，使N2:H2=1:3，待温度达到渗氮温度560℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为350Pa，保温时间为10h。离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门。待温度降到氧化温度300℃时，再次抽取炉内气压至一定真空度，调节电压、电流起辉，同时通入空气，设定空气流量为4L/min，设定炉内气氛压力为100Pa，保温时间为0.25h。氧化结束后进行电化学腐蚀实验前预处理，最后进行电化学腐蚀实验。
实验结果：见图1，从图中可得出自腐蚀电位较氮化后向正方向平移了20mv，自腐蚀电流较氮化后向负方向移动。由此可知，齿轮离子氮化后再经空气氧化后其耐腐蚀性得到提高。
（实施例2）
将42CrMo齿轮放入离子渗氮炉中，抽真空至一定真空度后，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射一定时间后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例，使N2:H2=1:3，待温度达到渗氮温度560℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为350Pa，保温时间为10h。离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门。待温度降到氧化温度300℃时，再次抽取炉内气压至一定真空度，调节电压、电流起辉，同时通入空气，设定空气流量为4L/min，设定炉内气氛压力为100Pa，保温时间为0.5h。氧化结束后进行电化学腐蚀实验前预处理，最后进行电化学腐蚀实验。
实验结果：见图2，从图中可得出自腐蚀电位较氮化后向正方向平移了100mv，自腐蚀电流较氮化后明显向负方向移动。由此可知，齿轮离子氮化后再经空气氧化其耐腐蚀性得到明显提高。
（实施例3）
将42CrMo齿轮放入离子渗氮炉中，抽真空至一定真空度后，调节电压、电流起辉，随后通入氢气进行离子溅射，溅射一定时间后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例，使N2:H2=1:3，待温度达到渗氮温度560℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为350Pa，保温时间为10h。离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门。待温度降到氧化温度300℃时，再次抽取炉内气压至一定真空度，调节电压、电流起辉，同时通入空气，设定空气流量为4L/min，设定炉内气氛压力为100Pa，保温时间为1h。氧化结束后进行电化学腐蚀实验前预处理，最后进行电化学腐蚀实验。
实验结果：见图3，从图中可得出自腐蚀电位较氮化后向正方向平移了30mv，自腐蚀电流较氮化后向负方向移动。由此可知，齿轮离子氮化后再经空气氧化其耐蚀性得到进一步提高。
由上述实验结果可知，齿轮在560℃离子渗氮10h，空气氧化温度为300，℃氧化时间为0.5h，自腐蚀电位最高，腐蚀电流最小，可见0.5h为最佳氧化时间；另外，经过空气氧化后的齿轮试样的自腐蚀电位得到显著提高，氧化后的自腐蚀电流显著减小，可见空气氧化能明显提高齿轮的耐蚀性能，达到了操作简单，降低能源消耗，处理成本低和生产效率高的优点。
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 (6)

1.一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法；其特征在于：包括以下步骤：
（1）将齿轮放入离子渗氮炉中，抽真空10～20Pa真空度后，调节电压、电流起辉，然后通入氢气进行离子溅射，溅射20～30min后，继续通入氮气，调节氮气和氢气比例；
（2）待温度达到渗氮温度560℃时开始计时进行离子渗氮，设定渗氮气氛压力为300～400Pa，保温时间由产品技术要求决定；
（3）离子渗氮结束后，关闭氮气和氢气阀门，待温度降到250～400℃时，再次抽取炉内气压至一定真空度，调节电压、电流起辉，同时通入氧化气体，设定氧化气体流量为3-5L/min，炉内气氛压力为50～150Pa，保温时间为0.25～1h；
（4）离子氧化结束后逐渐减少空气的流量至零，将电压、电流表示数调为零，继续通入氮气进行冷却，冷却到室温后将试样取出。
2.根据权利要求1所述的一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法，其特征在于：所述步骤（1）中氮气和氢气比例为1:3。
3.根据权利要求1所述的一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中氧化气体为空气，空气流量为4L/min。
4.根据权利要求1所述的一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中离子渗氮炉内氧化气氛压力为100Pa，氧化时间为0.5h，氧化温度为300℃。
5.根据权利要求1所述的一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法，其特征在于：所述齿轮材料为42CrMo。
6.根据权利要求1～5任一项权利要求所述的一种显著提高齿轮耐蚀性的化学热处理方法，其特征在于：离子氮化后的齿轮在3.5%NaCl溶液中自腐蚀电位为-1100mV，经过后续离子氧化处理后齿轮自腐蚀电位为-1000mV。
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