CN105525289B - 一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料表面处理领域，具体为一种采用氮弧和氮化物原位冶金增氮技术实现钢表面快速高氮钢化的装置及其方法，将氮化物合金粉末和铁粉通过双通同轴螺旋气粉罩混合均匀，经氮弧加热后送至待处理的钢母材表面上，同时用氮弧加热熔化氮化物合金粉末、铁粉和部分母材，通过电弧的电磁搅拌和焊枪的摆动对熔池进行搅拌，使熔池中的合金元素与熔化的母材充分熔炼混合，熔池冷却凝固即可在钢表面形成高氮钢层。本发明处理后的高氮钢层氮含量高，远远大于常规表面增氮处理所能获得的最大含氮量。并通过增氮过程的实时调节，可获得不同成分及性能的高氮钢层。

Description

一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置

技术领域

本发明涉及材料表面处理领域，具体为一种采用氮弧和氮化物原位冶金增氮实现钢表面快速高氮钢化的装置及其方法。

背景技术

常用表面的增氮方法有气体渗氮和离子渗氮。

气体渗氮可采用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段、三段)渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间，氨气分解率为15～30％，保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。

离子渗氮是利用辉光放电原理进行的。与一般的气体渗氮相比，离子渗氮其特点是：①可适当缩短渗氮周期；②渗氮层脆性小；③可节约能源和氨的消耗量；④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮；⑥渗层厚度和组织可以控制。但是其设备控制复杂，炉温的均匀性不好。

综上可知，常用的这两种渗氮方法，渗氮前需要预备热处理调质和预备热处理去应力处理，同时渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um等等限制。渗氮处理工艺的周期长、渗氮层薄、温度控制要求严、对零件的表面预处理要求严格、设备控制复杂。两种气体渗氮方法都需要在密闭的环境中进行，且耗时长，渗氮层薄、增氮量低、增氮层成分不可调。

对于其他表面处理技术，如传统热喷涂、喷焊以及堆焊也可用于材料表面的增氮处理。表面热喷涂增氮法属于氮化物陶瓷喷涂技术，并不是冶金结合，同时热喷涂法对基材表面的预处理要求比较高，需要进行粗化处理，且对喷涂粉的颗粒直径要求比较高。

传统的喷焊技术可以使粉末或焊丝，能够与母材形成冶金结合，但是喷焊层的稀释率高，一般约5％～10％，且需要预热处理，喷焊材料的熔点要求比基体熔点低，同时，在喷焊过程中，喷焊的高氮层的成分不可调。堆焊一般用焊丝，堆焊层成分只能是焊丝成分，堆焊层成分不可设计，即用堆焊方法对钢表面进行增氮处理，所获得的增氮层的成分不可设计。

中国专利(201310398151.2)公开了一种使用高速氧燃料热喷涂和等离子渗氮用于模具补整和修复的方法及系统。所获得的增氮层成分不可设计、厚度薄，且对合金粉末颗粒直径要求严格。中国专利(201110309131.4)涉及一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺。将调制的浆料涂覆在零件表面烘干后，用氮弧熔敷，浆料中不含氮元素，仅靠氮弧增氮效果不明显，且烘干需要时间，若没有完全烘干可能会引起氢致裂纹。而本发明直接将氮化物合金粉末铺设在待处理的钢表面上，采用氮弧原位冶金，不需要增加烘干工艺，且采用了氮化物和氮弧联合增氮技术，增氮效果明显且耗时短。中国专利(201310650075.X)公开了一种用等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法，具体为通过真空净化充高压氮气条件用等离子弧加氮熔炼钢坯，需要加真空，制备条件苛刻，且最终的增氮量低。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置及其方法。

一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，包括：

一非熔化极气体保护焊枪；

一双通同轴气粉传送装置，其内设有与非熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，螺旋气粉罩内开有与非熔化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹；

气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩外设有与螺旋气粉罩外壁相切的两个送粉送气通道；

所述的送粉送气通道分别开有送气口与送粉口；所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺旋气粉槽。

螺旋气粉槽为变螺线-变螺距-变截面结构，螺旋气粉槽包括双螺旋槽、大截面单螺旋槽、小截面单螺旋槽，所述的槽为半圆槽；螺旋气粉槽顶端靠近气粉通道入口处为双螺旋结构的双螺旋槽，槽直径为4mm～7mm，且所述的双螺旋结构至少有三圈；

两个气粉通道连通两相邻的双螺旋槽；

与双螺旋槽相连的为大截面单螺旋槽，槽直径为7mm～12mm；槽宽增大以保证氮化物合金粉末与铁粉充分混合均匀，与大截面单螺旋槽相连的为小截面单螺旋槽，槽直径为4mm～7mm。

螺旋气粉槽从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽螺纹升角为0°～60°；螺旋气粉槽在螺旋气粉罩出口的螺纹升角为0°～5°。

螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。

如上所述的送粉口和送气口上分别装有送粉调速器和气体流量计。

如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

如上所述的非熔化极气体保护焊枪外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹，所述的非熔化极气体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。

本发明还提供一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的方法，包括步骤如下：

步骤1，通过目标高氮钢层的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％；确定铁粉作为第一送气送粉通道的送粉原料；

根据目标高氮钢层的目标合金成分，确定第二送气送粉通道的送粉原料，合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值Wif_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；所述的第二送气送粉通道的送粉原料的合金粉末中的合金元素i不为铁。

步骤2，根据目标高氮钢中除铁元素之外的合金元素i的含量Wi％与铁元素含量的关系式得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β；确定送入熔池的合金粉末质量m_合金粉末与铁粉的质量m_铁粉比为α:β，设进入熔池中的合金粉末质量m_合金粉末＝Vf×Δt，设进入熔池的铁粉质量m_铁粉＝V_Fe×Δt，其中Vf为合金粉末送粉速率，单位为g/min；V_Fe为添加铁粉速率，单位为g/min；Δt为时间，单位为min；

步骤3，根据公式m_合金粉末:m_铁粉＝(Vf×Δt):(V_Fe×Δt)＝α:β，确定合金粉末送粉速率Vf与添加铁粉速率V_Fe参数匹配关系，Vf:V_Fe＝α:β；

步骤4，选取合适的焊接电流大小I为80A～200A；选取添加铁粉速率V_Fe为20g/min～150g/min；通过公式Vf:V_Fe＝α:β，确定合金粉末送粉速率Vf；

步骤5，启动焊接装置，调整焊枪到的所需处理钢的表面距离8-15mm，采用焊接电流I，合金粉末送粉速率Vf，送气速率为V_气1，添加铁粉速率V_Fe，送气速率为V_气2，在非熔化极气体保护焊枪通过10％Ar和90％N₂混合气，调节其速率为V_气3，进行焊接，对钢表面进行原位冶金增氮处理。

进一步的，焊接速率v为3～16mm/min。

进一步的，送气速率为V_气1，送气速率为V_气2；送气速率为V_气3，满足V_气1≈V_气2≈V_气3＝15～40L/min。

本发明与现有技术相比具有如下显著优点：

1、本发明提供的方法可以在短时间内实现钢表面增氮并高氮钢化，获得的增氮层厚度可达几毫米甚至厘米级，且增氮层成分可设计；

2、本发明提供的装置在双通同轴螺旋气粉罩靠近气粉通道口处的螺旋槽为双螺旋结构，可有效防止粉末堵塞通道口；中部大截面单螺旋结构槽有助于两种气粉流的充分混合；变螺距、变螺旋升角有助于气粉流的均匀混合。

3、本发明提供的方法不仅实现了钢表面增氮效果，还可以添加其他有益合金元素，实现钢表面高氮钢化，所获得的增氮层具有良好的高强耐蚀性能。获得的增氮层与钢基体之间是冶金结合，结合强度高。

4、本发明采用氮弧和氮化物合金联合原位冶金增氮技术，操作简单，可以通过调节电流大小和焊枪移动速度灵活调节增氮层厚度。对不需增氮的地方也不需要采取保护措施，可实现局部增氮。

附图说明

图1为氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮装置的示意图；

图2为双通同轴螺旋气粉罩的纵向剖视图；

图3为氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮装置的截面A-A的剖视图；

其中，1为第一送气口，2第一送粉口，3为双通同轴螺旋气粉罩，4第二送气口，5为第二送粉口，6为螺旋气粉槽，7为非熔化极气体保护焊枪；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种采用氮弧和氮化物复合原位冶金实现钢表面增氮的方法进一步描述。

本发明采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，包括：

一非熔化极气体保护焊枪7；

一双通同轴传送装置，其内设有与非熔化极气体保护焊枪3同轴的螺旋气粉罩3，螺旋气粉罩3内开有与非熔化极气体保护焊枪7紧固连接的螺纹；

双通气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩3外设有与螺旋气粉罩3外壁相切的两个送粉送气通道，分别为第一送气送粉通道与第二送气送粉通道；

第一送气送粉通道分别开有第一送气口1与第一送粉口2；第二送气送粉通道分别开有第二送气口3与第二送粉口4；

螺旋气粉罩3的内壁开有螺旋气粉槽6。

螺旋气粉槽6为变螺线-变螺距-变截面结构，螺旋气粉槽6包括双螺旋槽、大截面单螺旋槽、小截面单螺旋槽，槽为半圆槽；螺旋气粉槽6顶端靠近气粉通道入口处为双螺旋结构的双螺旋槽，槽直径为4mm～7mm，且双螺旋结构至少有三圈；

两个气粉通道连通两相邻的双螺旋槽处；

与双螺旋槽相连的为大截面单螺旋槽，槽直径为7mm～12mm；与大截面单螺旋槽相连的为小截面单螺旋槽，槽直径为4mm～7mm。

螺旋气粉槽6从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽6螺纹升角为0°～60°；螺旋气粉槽6在螺旋气粉罩3出口的螺纹升角为0°～5°。

螺旋气粉罩3采用耐热材料SiC陶瓷制造。

送粉口和送气口上均分别装有送粉调速器和气体流量计。

螺旋气粉罩3的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

所述的非熔化极气体保护焊枪7外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹，所述的非熔化极气体保护焊枪7，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。

本发明的氮弧为氮气氛电弧，包括电弧和等离子弧；将氮化物合金粉末和铁粉通过双通同轴气粉罩混合均匀，经氮弧加热后送至待处理的钢母材表面上，同时用氮弧加热熔化氮化物合金粉末、铁粉和部分母材，通过电弧的电磁搅拌和焊枪的摆动对熔池进行搅拌，使熔池中的合金元素与熔化的母材充分熔炼混合，熔池冷却凝固即可在钢表面形成高氮钢层。通过控制表面处理的参数匹配，可获得不同氮含量、不同厚度的高氮钢表面。

采用的增氮原理，一方面，氮化物合金粉末、铁粉和部分钢母材在氮弧中加热熔化，氮弧中的氮进入熔池，提高了熔池中的氮含量，同时氮弧中氮分压较高，可以控制熔池中已熔入氮的逸出；另一方面，氮化物合金粉末中含有大量的氮元素，在氮弧加热过程中也熔入了熔池中，进一步提高了熔池中的含氮量。同时，氮化物合金粉末中还配有含有如Cr、Mn、Mo等的合金元素，以确保氮元素以原子形式固溶在所形成的高氮钢层中。

实施例1

利用如图1所示的装置，采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的方法，在Q235B钢表面获得厚度为2mm的高氮钢层。高氮钢层的目标成分如表1所示。

表1目标高氮钢层的化学成分要求(％)

化学成分

N

Mn

Cr

Mo

Si

C

Fe

标准规范

0.8-2.4

12-18

18-23

1.0-2.5

≤1

≤0.1

余量

采用本发明所述的采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的方法，其具体步骤为：

步骤1，通过目标高氮钢层的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％；确定铁粉作为第一送气送粉通道的送粉原料；

根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定合金粉末为第二送气送粉通道的送粉原料，确定所需的作为送粉原料的氮化物合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值Wif_修正％，并配制氮化物合金粉末；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；

氮化物合金粉末原料包括：氮化铬粉末、氮化锰粉末、铬粉、金属锰粉、钼粉等。

当粉末按CrN:MnN:Cr:Mn:Mo＝4：4：18.85：11.8：1.5时，满足高氮钢层目标成分含量比。根据修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)，修正得到原料粉末的配方为：CrN:MnN:Cr:Mn:Mo＝4：4：19：12：1.5时，与铁粉配合使用可以使Q235B钢表面获得高氮钢层，且高氮钢层的理论成分为N:1.66％,Mn:15％,Cr:22％,Mo:1.5％,余量为铁。

步骤2，根据目标高氮钢中除铁元素之外的合金元素i的含量Wi％与铁元素含量的关系式得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β≈2:3；确定送入熔池的合金粉末质量m_合金粉末与铁粉的质量m_铁粉比为2：3，进入熔池中的合金粉末质量m_合金粉末＝Vf×Δt，进入熔池的铁粉质量m_铁粉＝V_Fe×Δt，其中Vf为添加合金粉末速率，单位为g/min；V_Fe为添加铁粉速率，单位为g/min；Δt为时间，单位为min。

步骤3，根据公式m_合金粉末:m_铁粉＝(Vf×Δt):(V_Fe×Δt)＝α:β，确定添加合金粉末速率Vf与添加铁粉速率V_Fe参数匹配关系，Vf:V_Fe＝2:3。

步骤4，选取合适的电流I＝120A；选取合适的添加铁粉速率V_Fe＝75g/min；其次，通过公式Vf:V_Fe＝α:β，得出添加合金粉末速率Vf＝52g/min；焊接速率v一般取8mm/min。另外，双通同轴气粉传送装置上的第一送气送粉通道通氮气送粉，其送气速率为V_气1；第二送气送粉通道通氮气送粉，其送气速率为V_气2；焊枪通10％Ar+N2混合气，其速率为V_气3，满足V_气1≈V_气2≈V_气3＝20L/min。

步骤5，启动本发明提供的利用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，采用双通同轴气粉传送装置上的送气速率为V_气1、送气速率为V_气2，以及焊枪通10％Ar+N2混合气速率为V_气3，满足V_气1≈V_气2≈V_气3＝20L/min，调节通道二添加氮化物合金粉末速率Vf＝52g/min、通道一添加铁粉速率V_Fe＝75g/min，进行焊接，对钢表面进行原位冶金增氮处理。

在Q235B钢表面上以速率v＝58.3cm/min进行堆焊熔敷，最终在Q235B钢表面获得厚度为2mm的高氮钢层。

Claims (5)

1.一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其特征在于，包括：

一非熔化极气体保护焊枪(7)；

一双通同轴传送装置，其内设有与非熔化极气体保护焊枪(7)同轴的螺旋气粉罩(3)，螺旋气粉罩(3)内开有与非熔化极气体保护焊枪(7)紧固连接的螺纹；

双通气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩(3)外设有与螺旋气粉罩(3)外壁相切的两个送粉送气通道，分别为第一送气送粉通道与第二送气送粉通道；

所述的第一送气送粉通道分别开有第一送气口(1)与第一送粉口(2)；第二送气送粉通道分别开有第二送气口(4)与第二送粉口(5)；

所述的螺旋气粉罩(3)的内壁开有螺旋气粉槽(6)；

所述的送粉口和送气口上均分别装有送粉调速器和气体流量计；

所述的螺旋气粉罩(3)的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

2.根据权利要求1所述的采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其特征在于，所述的螺旋气粉槽(6)为变螺线-变螺距-变截面结构，螺旋气粉槽(6)包括双螺旋槽、大截面单螺旋槽、小截面单螺旋槽,所述的螺旋气粉槽(6)为半圆槽；螺旋气粉槽(6)顶端靠近气粉通道入口处为双螺旋结构的双螺旋槽，槽直径为4mm～7mm，且所述的双螺旋结构至少有三圈；

所述的两个气粉通道连通两相邻的双螺旋槽处；

与所述的双螺旋槽相连的为大截面单螺旋槽，槽直径为7mm～12mm；与大截面单螺旋槽相连的为小截面单螺旋槽，槽直径为4～7mm。

3.根据权利要求1所述的采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其特征在于，所述的螺旋气粉槽(6)从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽(6)螺纹升角为0°～60°；螺旋气粉槽(6)在螺旋气粉罩(3)出口的螺纹升角为0°～5°。

4.根据权利要求1所述的采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其特征在于，所述的螺旋气粉罩(3)采用耐热材料SiC陶瓷制造。

5.根据权利要求1所述的采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其特征在于，所述的非熔化极气体保护焊枪(7)外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹，所述的非熔化极气体保护焊枪(7)，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。