CN105648395A - 一种快速离子渗氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速离子渗氮方法，包括以下步骤：将原始态钢加工切割成试样；将试样先后进行调质处理和打磨处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹干；将试样进行喷砂处理，喷砂处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹干；将试样置于离子氮化炉中，通入氢气溅射，进行离子渗氮表面处理，试样冷却至室温。本发明的有益效果是：克服了离子渗氮渗层薄、渗氮效率低的缺点，喷砂处理时，砂粒在气流的作用下，不断冲击试样表面，使得试样表层产生塑性变形，引起位错等一系列表面缺陷；操作流程简单便捷，能够在短时间内提高渗氮速率与渗层厚度，具有高效、节能的优势。

Description

一种快速离子渗氮方法
技术领域
本发明涉及一种快速离子渗氮方法。
背景技术
在工程应用中，离子渗氮是一种应用较为广泛的表面热处理技术，该技术主要是通过阴极溅射产生活性的氮原子，在试样表面富集且不断向基体内部扩散，最终形成渗氮层。
喷砂处理作为一种表面预处理方法，不仅能够去除金属表面杂质与氧化皮，同时还能改变材料表面结构与性能。
在化学热处理技术中，渗氮技术包含气体渗氮、离子渗氮、盐浴渗氮等。离子渗氮和盐浴渗氮虽可以获得一定厚度的渗氮层，但前两者渗氮周期较长，设备资源利用率不高，而后者则容易对环境造成污染，具有一定的危害性。此外，单一的渗氮技术往往要花费过长的时间才能达到理想的改性层。
虽然相比于其他的表面改性技术，离子渗氮技术具有渗氮温度低、工件变形小以及无污染等优势。但单一的离子渗氮周期较长，极易造成资源浪费，为了扩大离子渗氮技术的进一步广泛应用，如何缩短生产周期，提高资源利用率和渗氮效率一直是人们密切关注的问题，而采取喷砂处理+离子渗氮方法能够减少资源的浪费，同时提高生产效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种快速离子渗氮方法。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种快速离子渗氮方法，包括以下步骤：
(1)将原始态钢加工切割成试样；
(2)将试样先后进行调质处理和打磨处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹干；
(3)将试样进行喷砂处理，喷砂处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹干；
(4)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500ml/min；将炉温升高到510℃，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样冷却至室温。
进一步地，步骤(1)中原始态钢为优质碳素结构钢的一种，优选45钢，试样尺寸为10mm×10mm×10mm。
进一步地，步骤(2)中调质处理为先升温至840℃保温12min，水冷至室温，再升温至580℃保温30min，空冷至室温。
进一步地，步骤(2)中打磨处理为将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，打磨处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声清洗15min。
进一步地，步骤(3)中喷砂处理为试样用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为<30min，喷砂处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声波清洗15min。
进一步地，步骤(4)中离子渗氮处理具体操作为：采用氢气和氮气混合气体，氮气与氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，气体压力保持在400Pa。
进一步地，步骤(4)中冷却方式为随炉冷却，冷却后采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
采用快速离子渗氮方法，处理后的试样表层获得优异的化合物层厚度。
本发明的有益效果是：(1)克服了离子渗氮渗层薄、渗氮效率低的缺点，喷砂处理时，砂粒在气流的作用下，不断冲击试样表面，使得试样表层产生塑性变形，引起位错等一系列表面缺陷；离子渗氮时，试样表层形成大量活性氢原子和氮原子，由于喷砂处理后间隙的形成，为氮原子和氢原子的扩散提供了更多的通道，从而促进活性氮原子的扩散和吸附，最终达到催渗的效果；(2)操作流程简单便捷，能够在短时间内提高渗氮速率与渗层厚度，具有高效、节能的优势。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是对比例得到的渗层显微组织图；
图2是实施例1得到的渗层显微组织图；
图3是实施例2得到的渗层显微组织图；
图4是实施例3得到的渗层显微组织图；
图5是45钢在不同工艺条件(不同喷砂处理时间+离子渗氮处理)下的化合物层厚度对比图。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
对比例
1)将45钢加工成尺寸为10mm×10mm×10mm的试样；
2)将试样进行调质，先升温至840℃保温12min水冷至室温，再升温至580℃保温30min水冷至室温；
3)将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
4)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹干待用；
5)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500ml/min；通入氮气，氮气流量为200ml/min，氢气流量为600ml/min，压力保持为400Pa，将炉温升高到510℃，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
单一的离子渗氮工艺所获得的化合物层厚度约为10.0um，见图1和图5。
实施例1
1)将45钢加工成尺寸为10mm×10mm×10mm的试样；
2)将试样进行调质处理，先升温至840℃保温12min，水冷至室温，再升温至580℃保温30min，水冷至室温；
3)将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
4)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹干待用；
5)将试样进行喷砂处理，采用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时，试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为5min。
6)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面残余砂粒和污渍，吹干待用；
7)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500ml/min；通入氮气，氮气流量为200ml/min，氢气流量为600ml/min，压力保持为400Pa，将炉温升高到510℃，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
试验结果：喷砂处理5min+离子渗氮复合处理使45钢的化合物层厚度达到约13.9um，见图2和图5。
实施例2
1)将45钢加工成尺寸为10mm×10mm×10mm的试样；
2)将试样进行调质，先升温至840℃保温12min水冷至室温，再升温至580℃保温30min水冷至室温；
3)将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
4)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹干待用；
5)将试样进行喷砂处理，采用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时，试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为15min。
6)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面残余砂粒和污渍，吹干待用；
7)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500ml/min；通入氮气，氮气流量为200ml/min，氢气流量为600ml/min，压力保持为400Pa，将炉温升高到510℃，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
试验结果：喷砂处理15min+离子渗氮复合处理使45钢的化合物层厚度达到约21.5um，见图3和图5，与对比例相比，该复合工艺能够有效地提高化合物层厚度，提高约115％。
实施例3
1)将45钢加工成尺寸为10mm×10mm×10mm的试样；
2)将试样进行调质，先升温至840℃保温12min水冷至室温，再升温至580℃保温30min水冷至室温；
3)将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
4)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹干待用；
5)将试样进行喷砂处理，采用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时，试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为30min。
6)将试样浸泡于20ml的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面残余砂粒和污渍，吹干待用；
7)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500ml/min；通入氮气，氮气流量为200ml/min，氢气流量为600ml/min，压力保持为400Pa，将炉温升高到510℃，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
试验结果：喷砂处理30min+离子渗氮复合处理使45钢的化合物层厚度达到约26.9um，见图4和图5，与对比例相比，该复合工艺能够有效地提高化合物层厚度，提高约169％。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种快速离子渗氮方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)将原始态钢加工切割成试样；
(2)将试样先后进行调质处理和打磨处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹干；
(3)将试样进行喷砂处理，喷砂处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹干；
(4)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500ml/min；将炉温升高到510℃，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种快速离子渗氮方法，其特征是：所述的步骤(1)中原始态钢为优质碳素结构钢的一种，优选45钢，试样尺寸为10mm×10mm×10mm。
3.根据权利要求1所述的一种快速离子渗氮方法，其特征是：所述的步骤(2)中调质处理为先升温至840℃保温12min，水冷至室温，再升温至580℃保温30min，空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的一种快速离子渗氮方法，其特征是：所述的步骤(2)中打磨处理为将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，打磨处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声清洗15min。
5.根据权利要求1所述的一种快速离子渗氮方法，其特征是：所述的步骤(3)中喷砂处理为试样用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为<30min，喷砂处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声波清洗15min。
6.根据权利要求1所述的一种快速离子渗氮方法，其特征是：所述的步骤(4)中离子渗氮处理具体操作为：采用氢气和氮气混合气体，氮气与氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，气体压力保持在400Pa。
7.根据权利要求1所述的一种快速离子渗氮方法，其特征是：所述的步骤(4)中冷却方式为随炉冷却，冷却后采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
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