CN113667924A - 一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置及方法，其中，适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，包括至少一组刀具安装组件，所述刀具安装组件包括上下置放的交流阴极板和直流阴极板，所述交流阴极板和直流阴极板之间具有供工件置放的安放空间，所述直流阴极板用于安放工件；至少一根交流阴极导电杆，用于连接交流脉冲电源，所述交流阴极导电杆与所述交流阴极板电连接，以产生等离子体；以及至少一根直流阴极导电杆，用于连接直流脉冲电源，所述直流阴极导电杆与所述直流阴极板电连接，以形成指向直流阴极板方向的加速电场。本发明能加快低温下的渗氮速率，在不降低耐蚀性的前提下，提高刀刃处的硬度和耐磨性。

Description

一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置及方法
技术领域
本发明涉及刀具制造技术领域，特别涉及一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，还涉及一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法。
背景技术
传统刀具大多以马氏体不锈钢(如3Cr13)为材料，通过淬火后刃磨抛光而成；但马氏体不锈钢淬火后硬度为42HRC左右，硬度偏低；并且防锈性能不足，使用过程中容易生锈。
为了改善刀具的综合性能，需要进一步提高刀刃部位的硬度、耐磨性及其耐蚀性能，可以对刀刃部位的渗氮处理。
然而，常规的离子氮化是在高于500℃的温度下进行的，一方面，氮在奥氏体相中的溶解度达到最大值，亚稳相分解，产生大量CrN析出，从而导致钢基质中的游离铬耗竭，降低不锈钢的耐蚀性，另一方面，在500℃以上对刀刃部位进行离子氮化，会引起刀刃的变形。
常规低温离子氮化能够在提高试样的表面硬度和耐磨性的同时，不显著影响其耐蚀性。但是，常规低温离子氮化的速率非常低，渗氮时间非常长，生产效率底，成本高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，加快低温下的渗氮速率，在不降低耐蚀性的前提下，提高刀刃处的硬度和耐磨性。
本发明实施例还提供一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，包括至少一组刀具安装组件，所述刀具安装组件包括上下置放的交流阴极板和直流阴极板，所述交流阴极板和直流阴极板之间具有供工件置放的安放空间，所述直流阴极板用于安放工件；至少一根交流阴极导电杆，用于连接交流脉冲电源，所述交流阴极导电杆与所述交流阴极板电连接，以产生等离子体；以及至少一根直流阴极导电杆，用于连接直流脉冲电源，所述直流阴极导电杆与所述直流阴极板电连接，以形成指向直流阴极板方向的加速电场。
上述适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，至少具有以下有益效果：
其一，采用两个电源同时对渗氮炉进行供电，交流脉冲电源用于产生高密度的等离子体，在直流阴极板上施加直流脉冲偏压能够形成指向直流阴极板方向的加速电场，使电子在加速偏压的作用下获得能量轰击工件，从工件晶格位置被敲除的原子数量增加，工件表面产生的结构缺陷有利于氮进入工件表面，提高了氮化速率。直流脉冲偏压的作用下直流阴极板附近会形成与偏压值相应的鞘层，通过调节偏压值可以改变鞘层的电压降，从而控制入射离子的能量。随着鞘层电压的增高，电子轰击直流阴极板的能量增加，从而产生更多的二次电子，其中一些二次电子被鞘层加速后可能进入等离子体中进一步离化和分解源气体，进一步提高了氮化速率。
其二，采用直流脉冲电源对直流阴极导电杆通电，由于脉冲作用的周期短，工件表面无法起弧，避免了工件灼伤。离子在直流偏压的作用下定向加速到直流阴极板并积累在直流阴极板上，改变表面电势，影响离子能量分布。直流脉冲偏压相对传统直流电压能够削弱由于电荷积累导致的不良影响，且具有更好的均匀性。
其三，本发明结构简单，综合效率高。
根据本发明第一方面的实施例，所述刀具安装组件至少两组以上并依次上下布置，所述交流阴极导电杆自下而上与各所述刀具安装组件的所述交流阴极板电连接，所述直流阴极板设置有供所述交流阴极导电杆穿过的第一通孔，所述直流阴极导电杆自下而上与各所述刀具安装组件的所述直流阴极板电连接，所述交流阴极板设置有供直流阴极导电杆穿过的第二通孔。
根据本发明第一方面的实施例，所述交流阴极导电杆与所述直流阴极板相接处安装有第一绝缘体，所述直流阴极导电杆与所述交流阴极板相接处安装有第二绝缘体。
根据本发明第一方面的实施例，所述直流阴极导电杆设置一根，所述交流阴极导电杆设置多根且呈圆周分布，所述交流阴极导电杆与所述直流阴极导电杆配合，以支撑各所述刀具安装组件。
根据本发明第一方面的实施例，所述交流阴极导电杆底端安装有交流阴极接头，所述直流阴极导电杆底端安装有直流阴极接头。
根据本发明第一方面的实施例，所述直流阴极板放置有多个夹具体，所述夹具体设置有多个供工件插入的插口。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，将根据本发明第一方面实施例所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置安装于真空离子氮化炉内；将直流脉冲电源的正极接渗炉，将直流脉冲电源的负极接直流阴极导电杆；将交流脉冲电源的正极接渗炉，将交流脉冲电源的负极接交流阴极导电杆；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度300℃-380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度15Pa-25Pa；直流脉冲电源240V-300V；交流脉冲电源320V-360V；氮化时间：6h-8h。
上述适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，至少具有以下有益效果：通过上述适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，对工件进行离子渗氮处理，可以加快低温下的渗氮速率，在不降低耐蚀性的前提下，提高刀刃处的硬度和耐磨性。
根据本发明第二方面的实施例，应用于刀具的材料为奥氏体不锈钢，表层硬度要求800Hv以上，渗层厚度要求0.02mm以上；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：300℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：25Pa；直流脉冲电源：240V；交流脉冲电源：320V；氮化时间：6h。
根据本发明第二方面的实施例，应用于刀具的材料为马氏体不锈钢，表层硬度在要求1000Hv以上，渗层厚度要求0.03mm以上；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：340℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：20Pa；直流脉冲电源：260V；交流脉冲电源：340V；氮化时间：7h。
根据本发明第二方面的实施例，应用于刀具的材料为非不锈钢，表层硬度在要求1300Hv以上，渗层厚度要求0.04mm以上；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：15Pa；直流脉冲电源：300V；交流脉冲电源：360V；氮化时间：8h。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1中A-A向的剖面图；
图3是本发明实施例中刀具安装在夹具体后的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1和图3，本发明实施例出示了一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，包括至少一组刀具安装组件10、至少一根交流阴极导电杆21以及至少一根直流阴极导电杆31。
刀具安装组件10包括上下置放的交流阴极板11和直流阴极板12，交流阴极板11和直流阴极板12之间具有供工件置放的安放空间13，直流阴极板用于安放工件。本发明实施例是应于对刀具刃口的低温离子渗氮处理，如图3所示，直流阴极板12放置有多个夹具体41，夹具体41设置有多个供工件插入的插口，上述工件为本实施例中的刀具42。即通过夹具体41来固定多个刀具42，刀具42的刃口朝上布置，一个直流阴极板12可放置多个夹具体41，可同时对多个刀具42的刃口进行处理。
交流阴极导电杆21用于连接交流脉冲电源，交流阴极导电杆21与交流阴极板11电连接，以产生等离子体。直流阴极导电杆31用于连接直流脉冲电源，直流阴极导电杆31与直流阴极板12电连接，以形成指向直流阴极板12方向的加速电场。
本领域技术人员知晓适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置应用时，安装于真空离子氮化炉内。可以理解的是，本实施例中采用两个电源同时对渗氮炉进行供电，交流脉冲电源用于产生高密度的等离子体，在直流阴极板12上施加直流脉冲偏压能够形成指向直流阴极板12方向的加速电场，使电子在加速偏压的作用下获得能量轰击工件，从工件晶格位置被敲除的原子数量增加，工件表面产生的结构缺陷有利于氮进入工件表面，提高了氮化速率。直流脉冲偏压的作用下直流阴极板12附近会形成与偏压值相应的鞘层，通过调节偏压值可以改变鞘层的电压降，从而控制入射离子的能量。随着鞘层电压的增高，电子轰击直流阴极板12的能量增加，从而产生更多的二次电子，其中一些二次电子被鞘层加速后可能进入等离子体中进一步离化和分解源气体，进一步提高了氮化速率。
采用直流脉冲电源对直流阴极导电杆31通电，由于脉冲作用的周期短，工件表面无法起弧，避免了工件灼伤。离子在直流偏压的作用下定向加速到直流阴极板12并积累在直流阴极板12上，改变表面电势，影响离子能量分布。直流脉冲偏压相对传统直流电压能够削弱由于电荷积累导致的不良影响，且具有更好的均匀性。
在其中的一些实施例中，刀具安装组件10至少两组以上并依次上下布置，如图1所示，本实施例共设置四组，交流阴极板11和直流阴极板12依次交替上下设置。
交流阴极导电杆21自下而上与各刀具安装组件10的交流阴极板11电连接，直流阴极板12设置有供交流阴极导电杆21穿过的第一通孔，交流阴极导电杆21与直流阴极板12相接处安装有第一绝缘体22。
直流阴极导电杆31自下而上与各刀具安装组件10的直流阴极板12电连接，交流阴极板11设置有供直流阴极导电杆31穿过的第二通孔，直流阴极导电杆31与交流阴极板11相接处安装有第二绝缘体32。
本实施例中，直流阴极导电杆31设置一根，交流阴极导电杆21设置四根且呈圆周分布，交流阴极导电杆21与直流阴极导电杆31配合，以支撑各刀具安装组件10，可以理解的是，交流阴极板11和直流阴极板12依次交替上下设置，各自均与相应的交流阴极导电杆21或直流阴极导电杆31连接并由其支撑，无需另外增设支撑构件。
具体的，交流阴极导电杆21底端安装有交流阴极接头23，直流阴极导电杆31底端安装有直流阴极接头33。
本发明还出示了一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，具体的操作步骤如下：
将上述适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置安装于真空离子氮化炉内；
将直流脉冲电源的正极接渗炉，将直流脉冲电源的负极接直流阴极导电杆；
将交流脉冲电源的正极接渗炉，将交流脉冲电源的负极接交流阴极导电杆；
按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度300℃-380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度15Pa-25Pa；直流脉冲电源240V-300V；交流脉冲电源320V-360V；氮化时间：6h-8h。
本发明适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，针对不同材质的刀具，采用不同的工艺及参数进行氮化，具体如下：
第一种实施例，应用于刀具的材料为奥氏体不锈钢，表层硬度要求800Hv以上，渗层厚度要求0.02mm以上；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：300℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：25Pa；直流脉冲电源：240V；交流脉冲电源：320V；氮化时间：6h。
第二种实施例，应用于刀具的材料为马氏体不锈钢，表层硬度在要求1000Hv以上，渗层厚度要求0.03mm以上；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：340℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：20Pa；直流脉冲电源：260V；交流脉冲电源：340V；氮化时间：7h。
第三种实施例，应用于刀具的材料为非不锈钢，表层硬度在要求1300Hv以上，渗层厚度要求0.04mm以上；按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：15Pa；直流脉冲电源：300V；交流脉冲电源：360V；氮化时间：8h。
本发明列举了三种实施例，针对不同材质的刀具，采用不同的工艺及参数进行氮化，但在以下工艺及参数进行氮化，具有低温下的渗氮速率高的特点，在不降低耐蚀性的前提下，提高刀刃处的硬度和耐磨性。氮化温度300℃-380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度15Pa-25Pa；直流脉冲电源240V-300V；交流脉冲电源320V-360V；氮化时间：6h-8h。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，其特征在于：包括
至少一组刀具安装组件，所述刀具安装组件包括上下置放的交流阴极板和直流阴极板，所述交流阴极板和直流阴极板之间具有供工件置放的安放空间，所述直流阴极板用于安放工件；
至少一根交流阴极导电杆，用于连接交流脉冲电源，所述交流阴极导电杆与所述交流阴极板电连接，以产生等离子体；以及
至少一根直流阴极导电杆，用于连接直流脉冲电源，所述直流阴极导电杆与所述直流阴极板电连接，以形成指向直流阴极板方向的加速电场。
2.根据权利要求1所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，其特征在于：所述刀具安装组件至少两组以上并依次上下布置，所述交流阴极导电杆自下而上与各所述刀具安装组件的所述交流阴极板电连接，所述直流阴极板设置有供所述交流阴极导电杆穿过的第一通孔，所述直流阴极导电杆自下而上与各所述刀具安装组件的所述直流阴极板电连接，所述交流阴极板设置有供直流阴极导电杆穿过的第二通孔。
3.根据权利要求2所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，其特征在于：所述交流阴极导电杆与所述直流阴极板相接处安装有第一绝缘体，所述直流阴极导电杆与所述交流阴极板相接处安装有第二绝缘体。
4.根据权利要求3所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，其特征在于：所述直流阴极导电杆设置一根，所述交流阴极导电杆设置多根且呈圆周分布，所述交流阴极导电杆与所述直流阴极导电杆配合，以支撑各所述刀具安装组件。
5.根据权利要求4所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，其特征在于：所述交流阴极导电杆底端安装有交流阴极接头，所述直流阴极导电杆底端安装有直流阴极接头。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置，其特征在于：所述直流阴极板放置有多个夹具体，所述夹具体设置有多个供工件插入的插口。
7.一种适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，其特征在于：将权利要求1至6任意一项所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮装置安装于真空离子氮化炉内；
将直流脉冲电源的正极接渗炉，将直流脉冲电源的负极接直流阴极导电杆；
将交流脉冲电源的正极接渗炉，将交流脉冲电源的负极接交流阴极导电杆；
按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度300℃-380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度15Pa-25Pa；直流脉冲电源240V-300V；交流脉冲电源320V-360V；氮化时间：6h-8h。
8.根据权利要求7所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，其特征在于：应用于刀具的材料为奥氏体不锈钢，表层硬度要求800Hv以上，渗层厚度要求0.02mm以上；
按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：300℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：25Pa；直流脉冲电源：240V；交流脉冲电源：320V；氮化时间：6h。
9.根据权利要求7所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，其特征在于：应用于刀具的材料为马氏体不锈钢，表层硬度在要求1000Hv以上，渗层厚度要求0.03mm以上；
按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：340℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：20Pa；直流脉冲电源：260V；交流脉冲电源：340V；氮化时间：7h。
10.根据权利要求7所述的适用于刀具刃口强化的离子渗氮方法，其特征在于：应用于刀具的材料为非不锈钢，表层硬度在要求1300Hv以上，渗层厚度要求0.04mm以上；
按照如下工艺及参数进行氮化，氮化温度：380℃；氮气与氢气流量比为1：3；真空度：15Pa；直流脉冲电源：300V；交流脉冲电源：360V；氮化时间：8h。
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