CN117385312A - 一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，涉及工件表面热处理技术领域，包括：升温、强渗、扩散、降温进行产品的氮化，对氮势进行准确的控制，在时间和各个气体的流量上进行把控，通过四段式的氮化，以及对氮势的控制，可以减少整个氮化工艺时间提高氮化效率、提高产品及时交付率，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理，解决了现有的氮化工艺对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理时氮化速度慢的问题，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理。
Description
技术领域
本申请涉及工件表面热处理技术领域，特别涉及一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法。
背景技术
氮化是表面渗氮处理，指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，汽车配件，机床配件，大型机械配件，内燃机配件等就属于氮化产品，现有的氮化处理工艺通常是采用一段或二段式氮化工艺进行处理。
但是在通过现有的一段或二段式氮化工艺进行氮化处理的过程中，由于碳钢及球墨铸铁材料中不含Cr、Mo、V等氮化物形成元素，所以此类材料在气体氮化时氮化速度慢。
因此，我们需要一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，来解决现有的氮化工艺对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理时氮化速度慢的问题，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理。
发明内容
本申请的目的是解决现有的氮化工艺对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理时氮化速度慢的问题，为了解决上述问题，本申请提供一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理。
为实现上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：
一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，包括：升温段，升温段包括：S100：将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，通入氮气作为对流介质进行保护，氮气流量为3-8m3/h，使炉内的氮化产品均匀升温；S200：在炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长大于2小时，并通入氨气，用于以氨气置换氮气，为下一段氮化集聚炉膛氮势；强渗段，强渗段包括：S300：将炉内温度升至540℃，升温的速度小于45℃/h，并保持氨气的流量；S400：将炉内温度保持在540℃，时间大于1小时强渗，氮化炉内的氮势通过氨分解率或Kn值控制；扩散段，扩散段包括：S500：将炉内温度升至600℃进入氮化扩散阶段，氨气流量以氨气分解率或Kn值自动控制；S600：将炉内温度保持在600℃扩散，氨气分解率在45％-60％维持炉内氮势；降温段，降温段包括：S700：保持氨气分解率在45％-60％进行降温，降温至510℃；S800：在炉内温度降至510℃时进行保温，氨气分解率在30％-40％维持炉内氮势，最后再强化表面硬度，耐磨耐腐蚀性能；S900：产品的氮化完成，进行降温，通过氮气进行保护，出炉。
在上述技术方案中，本申请实施例通过四段式的氮化，以及对氮势的控制，可以减少整个氮化工艺时间提高氮化效率、提高产品及时交付率，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S100步骤中的升温速度小于75℃每小时。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S200步骤中低温氨气的裂解有限，同时金属表面在低温下吸收氮原子的能力很低，氨气流量为3-10m3/h。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S300步骤中氨气的流量为3-10m3/h。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S400步骤中氨分解率为35％-45％，维持炉内足够氮势强渗。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S500步骤中升温的速度小于30℃/h。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S600步骤中将炉内温度保持在600℃扩散的时间大于3小时。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S800步骤中在炉内温度降至510℃时进行保温的时间大于2小时。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S900步骤中进行的降温为降低至100℃以下。
进一步地，根据本申请实施例，其中，S900步骤中通过氮气进行保护的氮气流量为3-8m3/h。
与现有技术相比，本申请通过四段式的氮化处理，并对氮势进行准确的控制，可以减少整个氮化工艺时间提高氮化效率、提高产品及时交付率，解决了现有的氮化工艺对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理时氮化速度慢的问题，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。
图1是一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法的示意图。
图2是一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法的流程图。
图3是增加了氯化铝的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”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。此外，术语“一”、“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
出于简明和说明的目的，实施例的原理主要通过参考例子来描述。在以下描述中，很多具体细节被提出用以提供对实施例的彻底理解。然而明显的是，对于本领域普通技术人员，这些实施例在实践中可以不限于这些具体细节。在一些实例中，没有详细地描述公知方法和结构，以避免无必要地使这些实施例变得难以理解。另外，所有实施例可以互相结合使用。
本申请提供一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，包括：
升温段，升温段包括：
S100：将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，通入氮气作为对流介质进行保护，氮气流量为3-8m3/h，使炉内的氮化产品均匀升温，升温速度小于75℃每小时。
具体而言，将需要进行氮化的产品通过吊装的方式送至氮化炉中，进行升温，并通入氮气进行保护，氮气流速为3-8m3/h，升温的速度小于75℃每小时，在保证均匀升温的同时可以保证产品表面的清洁。
S200：在炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长大于2小时，并通入氨气，用于以氨气置换氮气，为下一段氮化集聚炉膛氮势，低温氨气的裂解有限，同时金属表面在低温下吸收氮原子的能力很低，氨气流量为3-10m3/h。
具体而言，在氮化炉内的温度上升至450℃时进行保温，保温的时长大于2小时，并根据炉膛的大小老考虑通入的氨气量，氨气流量为3-10m3/h，并且考虑到低温氨气的裂解有限，同时金属表面在低温下吸收氮原子的能力很低，采用少量氨气流量，以氨气置换氮气为主，同时为下一段氮化集聚炉膛氮势。
强渗段，强渗段包括：
S300：将炉内温度升至540℃，升温的速度小于45℃/h，并保持氨气的流量，氨气的流量为3-10m3/h。
具体而言，对氮化炉进行升温，将温度上升至540℃，并且控制升温的速度小于45℃/h，保持氨气的稳定通入，氨气的流量为3-10m3/h。
S400：将炉内温度保持在540℃，时间大于1小时强渗，氮化炉内的氮势通过氨分解率或Kn值控制，氨分解率为35％-45％，维持炉内足够氮势强渗。
具体而言，对氮化炉进行保温，将温度保持在540℃，并进行时间大于1小时的强渗，其中氮化炉内的氮势通过氨分解率或Kn值进行控制，控制氨分解率在35％-45％，维持炉内足够氮势强渗。
进一步而言，本实施例S400还包括：
S410：从氮化炉取样口内加入少量氯化铝粉末。
具体而言，在氮化炉的取样口内加入少量的氯化铝粉末，在540℃下氯化铝会有少量与氨气裂解的氢气产生反应，促进氮原子向金属表层富集，铝原子会吸附于氮化产品表面缓慢向碳钢内部渗入，同时会进一步和氨裂解的氮原子形成氮化物，在氮化产品表面形成高氮势层，炉内氮势值高，活化氮原子多会快速向氮化产品表面吸附。
扩散段，扩散段包括：
S500：将炉内温度升至600℃进入氮化扩散阶段，氨气流量以氨气分解率或Kn值自动控制，升温的速度小于30℃/h。
S600：将炉内温度保持在600℃扩散，扩散的时间大于3小时，氨气分解率在45％-60％维持炉内氮势。
进一步而言，本实施例S600还包括：
S610：加入氯化铝粉末，并保证有氯化铝粉末在炉内活化促渗。
具体而言，在600oC温度下氯化铝粉末与氨气裂解的氢气产生反应铝原子会吸附于氮化产品表面缓慢向碳钢内部渗入，同时会进一步和氨裂解的氮原子形成氮化物，在氮化产品表面形成高氮势层，活化铝原子量变多同时渗入氮化产品表面铝原子变多速度更快，金属表面的氮原子及铝原子会快速向金属内部扩散形成氮化层。
降温段，所述降温段包括：
S700：保持氨气分解率在45％-60％进行降温，降温至510℃。
S800：在炉内温度降至510℃时进行保温，氨气分解率在30％-40％维持炉内氮势，最后再强化表面硬度，耐磨耐腐蚀性能，保温的时间大于2小时。
具体而言，将氮化炉的温度保持在510℃，保温的时间大于2个小时，并将氨气分解率控制在30％-40％维持炉内氮势，进一步提升氮化层表面硬度、耐磨耐腐蚀性能，同时为产品降温冷却做准备。
S900：产品的氮化完成，进行降温，通过氮气进行保护，出炉，降温为降低至100℃以下，通过氮气进行保护的氮气流量为3-8m3/h。
整个工艺过程炉压维持1.5Kpa，氨气和氯化铝在高温条件下反应：
2NH3＝N2+3H2 2AlCl3＝2Al+3Cl2 H2+Cl2＝2HC1
氨气裂解出的活性氮原子和铝原子会被氮化产品表面吸附,氢气和氯化氢可以很好的活化金属表面让氮和铝更好更快地渗入金属表层。
通常氮化产品重要的配合面的粗糙度Ra0.8-Ra0.4之间，产品在氮化之前经过清洗和漂洗使氮化产品的表面清洁无灰尘油污使得氮和铝原子更容易被吸附金属表面，在500℃以上温度氮原子和铝原子会沿着产氮化品金属表面晶间向金属内部渗入。
随着温度升高氮原子和铝原子的动能变大，同时金属在升温情况下体积涨大，晶间也随着变大，氮原子和铝原子更容易渗入，由于铝是极强的氮化物形成元素，铝原子渗入碳钢和球墨铸铁的晶间中和渗入的氮原子形成弥散的氮化物从而加强氮化层表面硬度，同时由于铝原子的渗入金属表层富集大量的氮原子加快向金属内部渗入的速度。
本工艺采用多级升温和限定升温速度有效的减少产品的变形量。
通过四段式的氮化处理，并通过加入氯化铝，可以活化产品表面加速氮离子快速渗入，在快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理的同时，提升氮化产品的表面硬度耐磨性能，进一步解决了现有的氮化工艺对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理时氮化速度慢的问题，可以快速的对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理，并解决了快速对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理后氮化产品的表面硬度耐磨性能不佳的问题。
下面通过列举实施例及对比例对本申请的技术方案进行进一步说明，但本申请并不限于这些实施例。
【实施例1】
将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，升温速度60℃每小时，通入氮气，氮气流量为3m3/h；炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长3.5小时通入氨气置换氮气，氨气流量为3m3/h；将炉内温度升至540℃，升温的速度30℃/h，保证氨气的流量为3m3/h；将炉内温度保持在540℃，进行时间2.5小时的强渗，控制氨分解率在35％并从氮化炉取样口内加入少量氯化铝粉末；将炉内温度升至600℃扩散，升温的速度15℃/h；将炉内温度保持在600℃扩散，扩散的时间4.5小时，加入氯化铝粉末，并控制氨气分解率在45％；保持氨气分解率在45％进行降温，降温至510℃；在炉内温度降至510℃时进行保温，控制氨气分解率在30％，保温的时间3.5小时；产品的氮化完成，进行降温，降温为降低至100℃以下，通过氮气进行保护，氮气流量为3m3/h，出炉。
【实施例2】
将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，升温速度65℃每小时，通入氮气，氮气流量为5m3/h；炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长3小时通入氨气置换氮气，氨气流量为6m3/h；将炉内温度升至540℃，升温的速度35℃/h，保证氨气的流量为6m3/h；将炉内温度保持在540℃，进行时间2小时的强渗，控制氨分解率在40％并从氮化炉取样口内加入少量氯化铝粉末；将炉内温度升至600℃扩散，升温的速度20℃/h；将炉内温度保持在600℃扩散，扩散的时间4小时，加入氯化铝粉末，并控制氨气分解率在53％；保持氨气分解率在53％进行降温，降温至510℃；在炉内温度降至510℃时进行保温，控制氨气分解率在35％，保温的时间3小时；产品的氮化完成，进行降温，降温为降低至100℃以下，通过氮气进行保护，氮气流量为5m3/h，出炉。
【实施例3】
将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，升温速度70℃每小时，通入氮气，氮气流量为8m3/h；炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长2.5小时通入氨气置换氮气，氨气流量为10m3/h；将炉内温度升至540℃，升温的速度40℃/h，保证氨气的流量为10m3/h；将炉内温度保持在540℃，进行时间1.5小时的强渗，控制氨分解率在45％并从氮化炉取样口内加入少量氯化铝粉末；将炉内温度升至600℃扩散，升温的速度25℃/h；将炉内温度保持在600℃扩散，扩散的时间3.5小时，加入氯化铝粉末，并控制氨气分解率在60％；保持氨气分解率在60％进行降温，降温至510℃；在炉内温度降至510℃时进行保温，控制氨气分解率在40％，保温的时间2.5小时；产品的氮化完成，进行降温，降温为降低至100℃以下，通过氮气进行保护，氮气流量为8m3/h，出炉。
【对比例1】
采用现有的一段式进行氮化处理。
【对比例2】
采用现有的二段式进行氮化处理。
【对比例3】
将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，升温速度80℃每小时，通入氮气，氮气流量为8m3/h；炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长1.5小时通入氨气置换氮气，氨气流量为10m3/h；将炉内温度升至540℃，升温的速度50℃/h，保证氨气的流量为10m3/h；将炉内温度保持在540℃，进行时间0.5小时的强渗，控制氨分解率在45％并从氮化炉取样口内加入少量氯化铝粉末；将炉内温度升至600℃扩散，升温的速度35℃/h；将炉内温度保持在600℃扩散，扩散的时间2.5小时，加入氯化铝粉末，并控制氨气分解率在60％；保持氨气分解率在60％进行降温，降温至510℃；在炉内温度降至510℃时进行保温，控制氨气分解率在40％，保温的时间1.5小时；产品的氮化完成，进行降温，降温为降低至100℃以下，通过氮气进行保护，氮气流量为8m3/h，出炉。
将上述实施例1-3和对比例1-3的步骤应用于等同的氮化产品中进行氮化处理，按照氮化时间自上而下进行排序，获得的实验数据如下列表1所述：
表1
如表1所述，使用了本申请的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法后，可以显著的减少对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理的时间，并在快速对中低碳钢及球墨铸铁进行氮化处理后，使氮化产品的表面硬度耐磨性能更佳，变形量更少。
尽管上面对本申请说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本申请，但是本申请不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本申请精神和范围内，一切利用本申请构思的申请创造均在保护之列。
Claims (10)
1.一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，包括：
升温段，所述升温段包括：
S100：将氮化产品吊装至氮化炉中进行升温，通入氮气作为对流介质进行保护，所述氮气流量为3-8m3/h，使炉内的氮化产品均匀升温；
S200：在炉内温度升至450℃时进行保温，保温时长大于2小时，并通入氨气，用于以所述氨气置换所述氮气，为下一段氮化集聚炉膛氮势；
强渗段，所述强渗段包括：
S300：将炉内温度升至540℃，升温的速度小于45℃/h，并保持氨气的流量；
S400：将炉内温度保持在540℃，时间大于1小时强渗，所述氮化炉内的氮势通过氨分解率或Kn值控制；
扩散段，所述扩散段包括：
S500：将炉内温度升至600℃进入氮化扩散阶段，氨气流量以氨气分解率或Kn值自动控制；
S600：将炉内温度保持在600℃扩散，氨气分解率在45％-60％维持炉内氮势；
降温段，所述降温段包括：
S700：保持氨气分解率在45％-60％进行降温，降温至510℃；
S800：在炉内温度降至510℃时进行保温，氨气分解率在30％-40％维持炉内氮势，最后再强化表面硬度，耐磨耐腐蚀性能；
S900：产品的氮化完成，进行降温，通过氮气进行保护，出炉。
2.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S100步骤中的升温速度小于75℃每小时。
3.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S200步骤中低温氨气的裂解有限，同时金属表面在低温下吸收氮原子的能力很低，氨气流量为3-10m3/h。
4.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S300步骤中氨气的流量为3-10m3/h。
5.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S400步骤中所述氨分解率为35％-45％，维持炉内足够氮势强渗。
6.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S500步骤中升温的速度小于30℃/h。
7.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S600步骤中将炉内温度保持在600℃扩散的时间大于3小时。
8.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S800步骤中在炉内温度降至510℃时进行保温的时间大于2小时。
9.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S900步骤中进行的降温为降低至100℃以下。
10.根据权利要求1所述的一种中低碳钢及球墨铸铁的氮化工艺方法，其特征在于，所述S900步骤中通过氮气进行保护的氮气流量为3-8m3/h。
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