CN109695014B - 牙板表面氮化处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了牙板表面氮化处理工艺，涉及工件氮化处理工艺技术领域，1)处理前准备：2)抽真空：3)加热：4)再加热：5)抽真空：6)表面活化：7)抽真空：8)氨气分解：9)氮化：10)抽真空：11)变黑：12)冷却：本发明的有益效果是：该工艺提高了工件抗疲劳能力，由于氮化层内形成了更大的压应力，因此在交变载荷作用下，工件表现出具有更高的疲劳极限和较低的敏感性，且氮化后工件的疲劳极限可提高了200％。

Description

牙板表面氮化处理工艺
技术领域
本发明涉及工件氮化处理工艺技术领域，具体涉及牙板表面氮化处理工艺。
背景技术
经氮化处理后的牙板使用寿命明显提高，因此牙板氮化处理已经在生产过程中得带广泛应用，目前市面上的表面氮化处理传统工艺不稳定，往往造成牙板渗氮硬度低、深度浅、硬度不均匀、渗氮层不致密、且容易出现白层，网状，针状氮化物等缺陷，严重影响牙板的使用寿命。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了能提高牙板表面硬度和耐磨性疲劳强度及红硬性等的牙板表面氮化处理工艺。
本发明的技术方案如下：
牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)处理前准备：对工件表面进行清洁保证工件表面无油污、无锈斑、无粉尘、无杂质；将工件摆放在炉内，且工件之间保持5-10mm的间距；对炉内水压及气压进行检查，并保证水压及气压均在设定范围内；
2)抽真空：对炉内进行抽真空至0.02-0.05mbar，并保持抽5-10min；
3)加热：对炉内进行加热，加热炉温至490±5℃，并保持5-10min；
4)再加热：对炉内继续进行加热，使工件心部温度达到510±5℃，并保持20-30min；
5)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05-0.10mbar，并保持抽5-10min；
6)表面活化：向炉内充入N2O，保持炉压300±5mbar,并保持工件心部温度510±5℃，保持20-30min；
7)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05-0.10mbar，并保持抽5-10min；
8)氨气分解：向炉内充入NH3，保持炉压300±5mbar，并保持工件心部温度510±5℃，保持10-15min；
9)氮化：向炉内充入氮气N2、氨气NH3、笑气N2O三种气体的混合气，混合气充入体积比为85-97N2:7-13NH3:1-2N2O，并保持炉温510±5℃，180-240分钟；其中炉压为300±5mbar，混合气充入的流量为15-25L/min；其中炉压为300±5mbar，混合气充入的流量为15-25L/min；
10)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05-0.10mbar，并保持抽5-10min；
11)变黑：向炉内充入N2O，并保持工件表面温度480-500℃，20-30min；
12)冷却：将炉内温度进行冷却至60±5℃以下，保持炉内压力1100±5mbar，并继续冷却30-40min。
所述的牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，所述步骤1)中炉内水压的设定范围为2-4bar，气压的设定范围为3-4bar。
所述的牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，所述步骤9)混合气充入体积比为97N2:7NH3:1N2O。
所述的牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，所述步骤9)中混合气充入的流量为18L/min。
本发明的有益效果是：
1)对工件表面进行清洁保证工件表面无油污、无锈斑、无粉尘、无杂质；将工件摆放在炉内，且工件之间保持5-10mm的间距，提高工件表面在渗氮过程中的渗氮效果。
2)氮化过程能使工件表面具有更高的硬度，氮化处理后可得到900-1250HV的表面硬度，耐磨性能很高,疲劳极限提高4-5倍。(牙板表面氮化处理前使用寿命为20万件，经本工艺表面氮化处理后寿命提高到80-90万件，牙板表面氮化处理后可得到1200HV的表面硬度，耐磨性能很高。)抗蚀性能也得到了提高，大大提高了模具的使用寿命。
3)该工艺提高了工件抗疲劳能力，由于氮化层内形成了更大的压应力，因此在交变载荷作用下，工件表现出具有更高的疲劳极限和较低的敏感性，且氮化后工件的疲劳极限可提高了4-5倍。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明做进一步描述。
实施例1：牙板表面氮化处理工艺，包括如下步骤：
1)处理前准备：对工件表面进行清洁保证工件表面无粉尘、无杂质；将工件摆放在炉内，且工件之间保持6mm的间距；对水压及气压进行试压，并保证水压的设定范围为0.2Mpa，气压的设定范围为0.3Mpa。
2)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05mbar，并保持5min；(作用:把炉内空气抽除，可防止后面工艺加热时工件发生氧化)；
3)加热：对炉内进行加热，加热炉温至490℃，并保持5min；
4)再加热：对炉内继续进行加热，使工件心部温度达到510℃，并保持20min；
5)抽真空：对炉内进行抽真空至0.10mbar，并保持5min；
6)表面活化：向炉内充入N2O,保持炉压300mbar，并保持工件心部温度510℃，保持30min；其中N2O高温分解的化学反应为：2N2O＝2N2+O2，N2O和O2具有氧化性，“表面活化”是利用N2O和O2的氧化性把工件表面残存有机物(例如工件表面残存的油污、清洗涤剂等)进行氧化清洁，从而使工件“表面活化”，保证下面的表面氮化处理过程顺利进行。
7)抽真空：对炉内进行抽真空至0.10mbar，并保持5min；(作用:把炉内的N2O抽除)
8)氨气分解：向炉内充入NH3，并保持炉压300mbar，工件心部温度510℃，保持10min；其中氨气高温分解这一步得到氮元素的活性原子：2NH3→3H2+2[N]，氮元素的活性原子被工件表面吸收、扩散形成一定厚度的氮化层。
9)氮化：向炉内充入体积比为97N2:7NH3:1N2O的混合气，并保持炉温510℃，180分钟；其中炉压为300mbar，其中混合气充入的流量为18L/min；其中的化学反应得到氮元素的活性原子：2NH3+3N2O→3H2O+8[N]，氮元素的活性原子被工件表面吸收、扩散形成一定厚度的氮化层。
10)抽真空：对炉内进行抽真空至0.10mbar，并保持5min；
11)变黑：向炉内充入N2O并保持工件表面温度500℃，保持30min；其中N2O除了高温分解出N2和O2外，N2O还能直接与Fe发生反应，N2O和O2具有氧化性，“变黑”是利用N2O和O2的氧化性把工件表面Fe氧化为Fe3O4(黑色)。化学反应为：2N2O＝2N2+O2，3Fe+2O2＝Fe3O4(黑色)，3Fe+4N2O＝4N2+Fe3O4(黑色)。
12)冷却：对炉内温度进行冷却至60℃，保持30min,并保持炉内压力1100Mpa。
实施例2：牙板表面氮化处理工艺，包括如下步骤：
1)处理前准备：对工件表面进行清洁保证工件表面无粉尘、无杂质；将工件摆放在炉内，且工件之间保持5mm的间距；对水压及气压进行试压，并保证水压的设定范围为0.3Mpa，气压的设定范围为0.3Mpa。
2)抽真空：对炉内进行抽真空至0.02mbar，并保持10min；(作用:把炉内空气抽除，可防止后面工艺加热时工件发生氧化)；
3)加热：对炉内进行加热，加热炉温至495℃，并保持10min；
4)再加热：对炉内继续进行加热，使工件心部温度达到515℃，并保持30min；
5)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05mbar，并保持10min；
6)表面活化：向炉内充入N2O,保持炉压305mbar，并保持工件心部温度515℃，保持30min；其中N2O高温分解的化学反应为：2N2O＝2N2+O2，N2O和O2具有氧化性，“表面活化”是利用N2O和O2的氧化性把工件表面残存有机物(例如工件表面残存的油污、清洗涤剂等)进行氧化清洁，从而使工件“表面活化”，保证下面的表面氮化处理过程顺利进行。
7)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05mbar，并保持10min；(作用:把炉内的N2O抽除)
8)氨气分解：向炉内充入NH3，并保持炉压305mbar，工件心部温度515℃，保持15min；其中氨气高温分解这一步得到氮元素的活性原子：2NH3→3H2+2[N]，氮元素的活性原子被工件表面吸收、扩散形成一定厚度的氮化层。
9)氮化：向炉内充入体积比为85N2:11NH3:1N2O的混合气，并保持炉温510℃，240分钟；其中炉压为305mbar，其中混合气充入的流量为25L/min；其中的化学反应得到氮元素的活性原子：2NH3+3N2O→3H2O+8[N]，氮元素的活性原子被工件表面吸收、扩散形成一定厚度的氮化层。
10)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05mbar，并保持10min；
11)变黑：向炉内充入N2O并保持工件表面温度500℃，保持30min；其中N2O除了高温分解出N2和O2外，N2O还能直接与Fe发生反应，N2O和O2具有氧化性，“变黑”是利用N2O和O2的氧化性把工件表面Fe氧化为Fe3O4(黑色)。化学反应为：2N2O＝2N2+O2，3Fe+2O2＝Fe3O4(黑色)，3Fe+4N2O＝4N2+Fe3O4(黑色)。
12)冷却：对炉内温度进行冷却至55℃，保持40min,并保持炉内压力1100Mpa。
实施例3：牙板表面氮化处理工艺，包括如下步骤：
1)处理前准备：对工件表面进行清洁保证工件表面无粉尘、无杂质；将工件摆放在炉内，且工件之间保持10mm的间距；对水压及气压进行试压，并保证水压的设定为0.4Mpa，气压的设定为0.4Mpa。
2)抽真空：对炉内进行抽真空至0.04mbar，并保持8min；(作用:把炉内空气抽除，可防止后面工艺加热时工件发生氧化)；
3)加热：对炉内进行加热，加热炉温至485℃，并保持8min；
4)再加热：对炉内继续进行加热，使工件心部温度达到505℃，并保持25min；
5)抽真空：对炉内进行抽真空至0.06mbar，并保持8min；
6)表面活化：向炉内充入N2O,保持炉压295mbar，并保持工件心部温度505℃，保持25min；其中N2O高温分解的化学反应为：2N2O＝2N2+O2，N2O和O2具有氧化性，“表面活化”是利用N2O和O2的氧化性把工件表面残存有机物(例如工件表面残存的油污、清洗涤剂等)进行氧化清洁，从而使工件“表面活化”，保证下面的表面氮化处理过程顺利进行。
7)抽真空：对炉内进行抽真空至0.06mbar，并保持8min；(作用:把炉内的N2O抽除)
8)氨气分解：向炉内充入NH3，并保持炉压295mbar，工件心部温度505℃，保持12min；其中氨气高温分解这一步得到氮元素的活性原子：2NH3→3H2+2[N]，氮元素的活性原子被工件表面吸收、扩散形成一定厚度的氮化层。
9)氮化：向炉内充入体积比为93N2:13NH3:2N2O的混合气，并保持炉温505℃，200分钟；其中炉压为295mbar，其中混合气充入的流量为20L/min；其中炉压为300±5mbar，混合气充入的流量为15-25L/min；其中的化学反应得到氮元素的活性原子：2NH3+3N2O→3H2O+8[N]，氮元素的活性原子被工件表面吸收、扩散形成一定厚度的氮化层。
10)抽真空：对炉内进行抽真空至0.06mbar，并保持8min；
11)变黑：向炉内充入N2O并保持工件表面温度490℃，保持25min；其中N2O除了高温分解出N2和O2外，N2O还能直接与Fe发生反应，N2O和O2具有氧化性，“变黑”是利用N2O和O2的氧化性把工件表面Fe氧化为Fe3O4(黑色)。化学反应为：2N2O＝2N2+O2，3Fe+2O2＝Fe3O4(黑色)，3Fe+4N2O＝4N2+Fe3O4(黑色)。
12)冷却：对炉内温度进行冷却至65℃，保持35min,并保持炉内压力1100Mpa。
氮化过程能使工件表面具有更高的硬度，耐磨性能很高，疲劳极限提高4-5倍，提高了模具的使用寿命，同时抗蚀性能也得到了提高。
表1为氮化处理前后牙板寿命
氮化处理前 氮化处理后
寿命(万件) 20 80-90
表2为氮化处理前牙板表面硬度
氮化处理前 氮化处理后
表面硬度(HV) 500-750 900-1250
。

Claims (3)

1.牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)处理前准备：对工件表面进行清洁保证工件表面无油污、无锈斑、无粉尘、无杂质；将工件摆放在炉内，且工件之间保持5-10mm的间距；对炉内水压及气压进行检查，并保证水压及气压均在设定范围内；
2)抽真空：对炉内进行抽真空至0.02-0.05mbar，并持续抽5-10min；
3)加热：对炉内进行加热，加热炉温至490±5℃，并保持5-10min；
4)再加热：对炉内继续进行加热，使工件心部温度达到510±5℃，并保持20-30min；
5)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05-0.10mbar，并持续抽5-10min；
6)表面活化：向炉内充入N2O，保持炉压300±5mbar,并保持工件心部温度510±5℃，保持20-30min；
7)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05-0.10mbar，并持续抽5-10min；
8)氨气分解：向炉内充入NH3，保持炉压300±5mbar，并保持工件心部温度510±5℃，保持10-15min；
9)氮化：向炉内充入氮气N2、氨气NH3、笑气N2O三种气体的混合气，混合气充入体积比为97N2:7NH3:1N2O，并保持炉温510±5℃，180-240分钟；其中炉压为300±5mbar，混合气充入的流量为15-25L/min；
10)抽真空：对炉内进行抽真空至0.05-0.10mbar，并保持抽5-10min；
11)变黑：向炉内充入N2O，并保持工件表面温度480-500℃，20-30min；
12)冷却：将炉内温度进行冷却至60±5℃以下，保持炉内压力1100±5mbar，并继续冷却30-40min。
2.根据权利要求1所述的牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，所述步骤1)中炉内水压的设定范围为2-4bar，气压的设定范围为3-4bar。
3.根据权利要求1或2所述的牙板表面氮化处理工艺，其特征在于，所述步骤9)中混合气充入的流量为18L/min。
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