CN114892123A - 一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法 - Google Patents
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Abstract
一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法,属于热处理工艺技术领域,可解决小孔周围容易出现打弧现象而导致的工件产生弧光烧蚀而失效的问题,该工艺包括:先将有孔零部件预处理,将工件置于氮化炉,通入氮气和氢气,通过炉内气压、工件电压和温度协同调节来消除打弧风险,达到小孔离子氮化效果。氮化温度0.9~1.0 Tw,炉内压力300~6000Pa,电压0~‑1200 V,离子氮化2.0~10.0小时。与传统的离子氮化工艺相比,本发明在离子氮化工艺部分,创新性使用一种温度控制模式,升温过程采用低气压高电压模式,降温过程采用高气压低电压模式,通过调节气压和电压来控制温度,避免打弧,从而提高有孔工件的离子氮化效果。
Description
技术领域
本发明属于热处理工艺技术领域,具体涉及一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法。
背景技术
电渣熔铸过程是利用大电流通过渣阻区域而产生的高温将自耗电极逐渐熔化的过程,电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱及短网和变压器构成了整个冶炼过程的主回路。当工艺参数在某一冶炼时刻不稳定,导致主回路电流导通不顺畅,在钢锭和结晶器之间产生分流。若出现较大波动时,某一处的分流过高,该处渣衣破裂,钢锭与结晶器之间导通产生弧光放电,就会导致钢锭表面形成孔洞,产生弧点。这种现象就是打弧。
孔分为盲孔和通孔。随着孔径的减小,当逐渐接近产生空心阴极效应尺寸时,极易产生打弧,从而使工件产生弧光烧蚀而失效。
小孔打弧主要由两方面引起,一方面是小孔周围产生油气发生场致发射打弧,这是不可避免的;另一方面与小孔的几何尺寸有关,随着孔径的减小,当逐渐接近产生空心阴极效应尺寸时,局部过热极易产生打弧。
发明内容
本发明针对小孔周围容易出现打弧现象而导致的工件产生弧光烧蚀而失效的问题,提供一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法。该发明在离子氮化过程通过对气压和电压的调节控制小孔周围的温度,有效解决了小孔周围出现的打弧现象,避免了工件产生弧光烧蚀而失效。通过该发明的热处理工艺处理后的基材工件的使用寿命可以大幅提高。
本发明采用如下技术方案:
一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法,包括如下步骤:
第一步,材料预处理,采用常规离子氮化工艺,对材料进行预处理;
第二步,氮化工艺:
在0.9~1.0Tw(Tw:最大渗氮温度)条件下,控制氮气和氢气稳定通入,炉内压力控制在300~6000Pa,BP单极脉冲偏压电源的输出电压为0~-1200V,频率范围为40~60kHz,离子氮化2.0~10.0h。
进一步地,所述氮化工艺参数调节过程如下:低气压时,电压升至最高点-1000~-1200 V,功率到达较高范围,工件温度逐渐升高,称为低气压升温阶段;
温度达到最高点Tw(最大渗氮温度)后,迅速降压至-100~-200 V,同时开始快速充气,是充气阶段;
气压至高点,充气完成,使电压调整至-350~-550 V,进入快速渗氮阶段;
由于电源供给功率降低,工件温度缓慢降低,温度降至0.8~0.9 Tw后,迅速降压至-100~-200 V,开始快速抽气,进入抽气阶段;
炉内气压抽到低气压,进入低气压升温阶段。
低气压升温阶段→充气阶段→快速渗氮阶段→抽气阶段→低气压升温阶段,如此周而复始,直至渗氮结束。
低气压升温阶段和快速渗氮阶段,气压不满足空心阴极效应的条件,小孔不会产生打弧现象;而充气阶段和抽气阶段,电压低于启辉电压,也不会产生打弧所以,在整个离子渗氮过程没有小孔打弧的问题。通过气压和电压的配合,使温度始终在一定范围内周期性上下变化,即避免了小孔由于空心阴极效应引起的打弧失效问题,又有效促进了小孔的离子渗氮。
基于所述氮化处理调控参数,通过下述公式调控渗氮气压参数的调节。
通过公式:
本发明的渗氮原理如下:
离子渗氮被叫做直流离子渗氮,在真空室中工件接直流电源负极,炉体接直流电源正极,之后通入稀薄的含氮气氛到炉内,直流脉冲电源在工件与炉体之间产生高压直流电场,高压直流电场将稀薄含氮气氛中气体电离而发生辉光放电。等离子体中的带电粒子在直流高压电场作用下不断轰击试样表面。离子轰击一方面加热工件,另一方面促进活性氮原子产生,并被工件表面吸附。在合适的保温时间下形成所需要的渗氮层。
本发明的创新点:
①传统的离子氮化工艺采用固定的渗氮温度,而本发明打破温度固定不变的束缚,控制温度在一定范围内上下变化实现离子氮化。
②本发明创新性使用一种温度控制模式,升温过程采用低气压高电压模式,降温过程采用高气压低电压模式。在低气压高电压升温过程和高气压低电压降温过程中控制气压、电压及温度,小孔不处于空心阴极条件范围内,不会打弧;充气过程,气压变化剧烈,电压降到-100~-200 V,此时不会起辉,不会打弧。
本发明的有益效果如下:
1. 本发明打破传统渗氮工艺固定温度的固有思维,控制温度在一定的范围内离子氮化,有效避免小孔周围出现打弧。
2. 将离子氮化热处理工艺应用在小孔工件上,消除小孔周围打弧现象提升材料使用寿命。
3. 对于多孔零部件氮化,避免了打弧问题,能充分发挥离子氮化比气体氮化渗速快的特点。
4. 本发明离子渗氮热处理工艺不但可以用在要求消除小孔周围打弧的离子氮化热处理工艺,也适用于其他选用有孔零部件的工件的离子氮化的热处理工艺。
附图说明
图1为离子渗氮参数随时间变化规律图。
具体实施方式
结合实施例详述本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
以下实施例中,钽制小孔超薄材料工件的初始状态为锻件。
本实施例的一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法,包括以下步骤:
将有孔零部件加工成圆片,在圆片上均匀分布通孔,使用5μm金刚石金相抛光膏抛光,去离子水冲洗,在无水乙醇中超声清洗30分钟,吹干备用。
打开炉体控制电源,打开充气阀,直到炉内气压达到大气压,再开始提升炉体。防止炉内外的压力差损坏炉体提升的机械装置。用细砂纸把钟罩内壁、底盘、试样夹具等杂质、污物等磨掉,并用无水乙醇把磨掉的杂质、污物擦拭干净,并用吹风机吹干。
将待渗氮的试样按照实验前设计的装样方法进行装配,并对装配好的试样拍照记录。
用无水乙醇把密封圈、钟罩与密封圈接触的地方在擦拭一遍,在密封圈上均匀涂抹上真空硅脂,之后把钟罩慢慢降下,并保证钟罩与底座的紧密接触。打开真空泵开始抽气,将真空度抽到气压小于5×10-2Pa。而后,使用氩气来置换掉残余空气,再将炉体抽到极限真空度,重复三次上述的操作。
在通入Ar到40Pa左右,打开冷却水,打开脉冲电源,缓慢提升脉冲电源电压并通过观察窗观察炉内试样是否打弧(弧光放电)。如果出现弧光放电,马上停止提升电压,待打弧结束后,再次缓慢提升电压。将脉冲电源电压提升到实验前预定电压,预溅射10分钟,之后慢慢降低电压,当电压降为0 V后,关掉电源,再次把气压抽到5×10-2Pa 以下。
将N2、H2流量控制阀打开,在进行两次换气的操作。之后,将气压升到实验前设定的气压。打开电源,调节电压、电流,将试样温度提高到前设定温度,开始保温。
保温结束后,缓慢降低电压到0 V并关掉电源。将样品在300 Pa气压下冷却20分钟,之后关掉N2、H2流量控制阀。随炉冷却到室温后出炉,之后关掉冷却水。
氮化工艺:在500~580℃条件下,控制氮气和氢气稳定通入,炉内压力控制在400~500Pa,BP单极脉冲偏压电源的输出电压为0~-1200V,输出电流在0~20A,频率范围为40~60kHz,离子氮化2.0~3.0 h,炉冷降温到100℃,出炉空冷。
根据对消除打弧以及工件心部强度﹑硬度的要求,离子氮化温度在500~580℃的范围内调整。
根据对工件渗氮层厚度的要求,离子氮化保温时间在2.0~3.0小时的范围内选取。
Claims (2)
1.一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法,其特征在于:包括如下步骤:
第一步,材料预处理,采用常规离子氮化工艺,对材料进行预处理;
第二步,氮化工艺:
在0.9~1.0Tw条件下,Tw:最大渗氮温度,控制氮气和氢气稳定通入,炉内压力控制在300~6000Pa,BP单极脉冲偏压电源的输出电压为0~-1200V,频率范围为40~60kHz,离子氮化2.0~10.0h。
2.根据权利要求1所述的一种消除小孔打弧风险的离子氮化方法,其特征在于:所述氮化工艺参数调节过程:低气压升温阶段→充气阶段→快速渗氮阶段→抽气阶段→低气压升温阶段,如此周而复始,直至渗氮结束;具体过程如下:
(1)低气压时,电压升至最高点-1000~-1200 V,功率到达较高范围,工件温度逐渐升高,称为低气压升温阶段;
(2)温度达到最高点Tw后,迅速降压至-100~-200 V,同时开始快速充气,是充气阶段;
(3)气压至高点,充气完成,使电压调整至-350~-550 V,进入快速渗氮阶段;
(4)由于电源供给功率降低,工件温度缓慢降低,温度降至0.8~0.9 Tw后,迅速降压至-100~-200 V,开始快速抽气,进入抽气阶段;
(5)炉内气压抽到低气压,进入低气压升温阶段;
如此周而复始,直至渗氮结束。
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