CN117702047A - 一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属热处理技术领域，具体涉及一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，本发明在渗碳前对金属接链环进行打磨、清洗和正火处理，通过打磨和清洗处理能够去除金属接链环表面的油污和杂质，通过正火处理能够避免渗碳过程中因渗碳温度过高引起的渗层组织粗大的现象；通过多次渗碳和扩散操作的重复，能够提高碳元素在金属接链环表面扩散的均匀程度，在抽淬前进行高温回火处理，能够进一步促进奥氏体转变，以获得马氏体组织，从而增强金属接链环的表面硬度和表面强度；本发明在氮化的过程中加入由稀土组分制成的自制稀土甲醇盐溶液能够提高渗氮速度和渗氮硬度，从而改善氮化层组织结构的厚度，在一定程度上改善金属表面的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理技术领域，具体涉及一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺。
背景技术
金属表面渗碳和氮化是提高金属材料硬度和耐磨性的重要手段，传统的渗碳和氮化工艺主要采用固体渗碳剂或气体渗碳剂，这些方法通常需要长时间的高温处理，容易导致工件变形、开裂等问题，为了解决这些问题。渗碳和氮化过程中气体组分的浓度和比例难以控制，导致渗碳和氮化层的成分和组织结构不稳定，其次，渗碳和氮化过程中工件表面的温度分布不均匀，容易产生局部过热和开裂等问题，最后，渗碳和氮化过程中工件表面的气体压力分布不均匀，容易导致工件表面处理效果不均匀。
如公开号为CN113913733A的专利申请公开的一种低碳高合金钢真空渗碳热处理工艺，其包括以下步骤：渗碳阶段：将装有工件的真空渗碳炉加热至975-985°C，向真空渗碳炉内持续通入乙炔，保持17-20min后，停止通入乙炔，将真空渗碳炉内抽真空，保持200-210min；将上述渗碳阶段重复至少2次后，进入冷却阶段，该发明具有进一步提高真空渗碳生产效率的效果，但是该发明仅仅是从渗碳温度和时间上进行改进，在改善金属力学性能和耐腐蚀性能方面仍有欠缺，需要在此基础上进行改进。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，旨在对金属表面的力学性能和耐腐蚀性能进行改善。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，所述工艺包括以下步骤：
S1、对金属接链环进行渗碳前处理，渗碳前处理的操作包括打磨、清洗和正火处理；
S2、将经过S1处理后的金属接链环置于离子炉内，在常压下升温至850℃后向炉膛内快速冲入乙炔气体调节至稳定压力300Pa，此时升温至930℃进行第一次渗碳，渗碳时间为2-3h后快速抽气并冲入氮气，接着调节至稳定压力70Pa进行第一次扩散，扩散时间为4-5h；
S3、重复S2中的渗碳和扩散操作，重复次数为5-6次后快速降温至850℃，再进行高温回火处理和抽淬，接着置于-90℃的温度下保温2-3h后进行低温回火处理，最后冷却至常温；
S4、将经过S3处理后的金属接链环置于离子炉内，并滴入38-40滴自制稀土甲醇盐溶液，通入氮气后升温至520℃保温5-7h进行氮化，最后降温至常温，所得即为经过表面渗碳和氮化后的金属接链环。
更进一步地，所述S1中金属接链环的材质为优质合金钢23MnNiMoCr54。
更进一步地，所述S1中渗碳前处理的具体操作为：依次使用120#、320#、800#、2000#和3000#的砂纸对金属接链环的表面进行打磨，接着使用酒精进行超声清洗，最后置于低压真空渗碳炉中以900℃的温度正火处理8-10min。
更进一步地，所述渗碳前处理的具体操作中超声清洗的频率为22-23kHz，超声清洗的时间为25-30min。
更进一步地，所述S3中高温回火处理的具体操作为：在820℃的温度下保温40min。
更进一步地，所述S3中低温回火处理的具体操作为：在160℃的温度下保温2-2.5h。
更进一步地，所述S4中自制稀土甲醇盐溶液的制备步骤包括：
步骤1、将苯和无水甲醇分别置于80℃和65℃的温度下进行蒸馏，获得蒸馏脱水处理后的苯和无水甲醇；
步骤2、用工具刀去除金属钠表面的氧化皮后将其慢慢放入装有步骤1中无水甲醇的广口瓶中，直至广口瓶中金属钠消失后再继续加入去除氧化皮的金属钠，重复上述操作，直至加入的金属钠不再有气泡产生，取出剩余的金属钠，广口瓶中所得粘稠液体即为甲醇钠；
步骤3、通入氮气排空三口烧瓶内的空气后加入45-50重量份步骤1中的苯、15-16重量份步骤2中的甲醇钠和15-18重量份稀土氯化物，接着重新通入氮气并将水浴温度升高至85℃，保温4-5h后使三口烧瓶内的苯随氮气排出，停止保温后冷却至常温并静置过夜，所得粉末即为自制稀土甲醇盐；
步骤4、将自制稀土甲醇盐分散于无水乙醇中，搅拌分散均匀后制备成质量浓度为15-20%的自制稀土甲醇盐溶液。
更进一步地，所述步骤3中的稀土氯化物为氯化镧和三氯化铈中的一种。
更进一步地，所述步骤4中搅拌分散均匀的搅拌速度为300-500r/min，搅拌分散均匀的搅拌时间为8-10min。
更进一步地，所述S4中氮化的过程中的氨分解率为50-60%。
与现有公知技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在渗碳前对金属接链环进行打磨、清洗和正火处理，通过打磨和清洗处理能够去除金属接链环表面的油污和杂质，通过正火处理能够避免渗碳过程中因渗碳温度过高引起的渗层组织粗大的现象；其次，通过多次渗碳和扩散操作的重复，能够提高碳元素在金属接链环表面扩散的均匀程度，在抽淬前进行高温回火处理，能够进一步促进奥氏体转变，以获得马氏体组织，从而增强金属接链环的表面硬度和表面强度；再者，本发明在氮化的过程中加入由稀土组分制成的自制稀土甲醇盐溶液能够提高渗氮速度和渗氮硬度，从而改善氮化层组织结构的厚度，起到了合金化的作用，在一定程度上改善金属表面的耐腐蚀性能，使碳元素和氮元素的渗透性好，增强金属的破断拉力。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，工艺包括以下步骤：
S1、对金属接链环进行渗碳前处理，渗碳前处理的操作包括打磨、清洗和正火处理；
S2、将经过S1处理后的金属接链环置于离子炉内，在常压下升温至850℃后向炉膛内快速冲入乙炔气体调节至稳定压力300Pa，此时升温至930℃进行第一次渗碳，渗碳时间为2h后快速抽气并冲入氮气，接着调节至稳定压力70Pa进行第一次扩散，扩散时间为4h；
S3、重复S2中的渗碳和扩散操作，重复次数为5次后快速降温至850℃，再进行高温回火处理和抽淬，接着置于-90℃的温度下保温2h后进行低温回火处理，最后冷却至常温；
S4、将经过S3处理后的金属接链环置于离子炉内，并滴入38滴自制稀土甲醇盐溶液，通入氮气后升温至520℃保温5h进行氮化，最后降温至常温，所得即为经过表面渗碳和氮化后的金属接链环。
S1中金属接链环的材质为优质合金钢23MnNiMoCr54。
S1中渗碳前处理的具体操作为：依次使用120#、320#、800#、2000#和3000#的砂纸对金属接链环的表面进行打磨，接着使用酒精进行超声清洗，最后置于低压真空渗碳炉中以900℃的温度正火处理8min。
渗碳前处理的具体操作中超声清洗的频率为22kHz，超声清洗的时间为25min。
S3中高温回火处理的具体操作为：在820℃的温度下保温40min。
S3中低温回火处理的具体操作为：在160℃的温度下保温2h。
S4中自制稀土甲醇盐溶液的制备步骤包括：
步骤1、将苯和无水甲醇分别置于80℃和65℃的温度下进行蒸馏，获得蒸馏脱水处理后的苯和无水甲醇；
步骤2、用工具刀去除金属钠表面的氧化皮后将其慢慢放入装有步骤1中无水甲醇的广口瓶中，直至广口瓶中金属钠消失后再继续加入去除氧化皮的金属钠，重复上述操作，直至加入的金属钠不再有气泡产生，取出剩余的金属钠，广口瓶中所得粘稠液体即为甲醇钠；
步骤3、通入氮气排空三口烧瓶内的空气后加入45重量份步骤1中的苯、15重量份步骤2中的甲醇钠和15重量份稀土氯化物，接着重新通入氮气并将水浴温度升高至85℃，保温4h后使三口烧瓶内的苯随氮气排出，停止保温后冷却至常温并静置过夜，所得粉末即为自制稀土甲醇盐；
步骤4、将自制稀土甲醇盐分散于无水乙醇中，搅拌分散均匀后制备成质量浓度为15%的自制稀土甲醇盐溶液。
步骤3中的稀土氯化物为氯化镧和三氯化铈中的一种。
步骤4中搅拌分散均匀的搅拌速度为300r/min，搅拌分散均匀的搅拌时间为8min。
S4中氮化的过程中的氨分解率为50%。
实施例2
本实施例的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，工艺包括以下步骤：
S1、对金属接链环进行渗碳前处理，渗碳前处理的操作包括打磨、清洗和正火处理；
S2、将经过S1处理后的金属接链环置于离子炉内，在常压下升温至850℃后向炉膛内快速冲入乙炔气体调节至稳定压力300Pa，此时升温至930℃进行第一次渗碳，渗碳时间为3h后快速抽气并冲入氮气，接着调节至稳定压力70Pa进行第一次扩散，扩散时间为5h；
S3、重复S2中的渗碳和扩散操作，重复次数为6次后快速降温至850℃，再进行高温回火处理和抽淬，接着置于-90℃的温度下保温3h后进行低温回火处理，最后冷却至常温；
S4、将经过S3处理后的金属接链环置于离子炉内，并滴入40滴自制稀土甲醇盐溶液，通入氮气后升温至520℃保温7h进行氮化，最后降温至常温，所得即为经过表面渗碳和氮化后的金属接链环。
S1中金属接链环的材质为优质合金钢23MnNiMoCr54。
S1中渗碳前处理的具体操作为：依次使用120#、320#、800#、2000#和3000#的砂纸对金属接链环的表面进行打磨，接着使用酒精进行超声清洗，最后置于低压真空渗碳炉中以900℃的温度正火处理10min。
渗碳前处理的具体操作中超声清洗的频率为23kHz，超声清洗的时间为30min。
S3中高温回火处理的具体操作为：在820℃的温度下保温40min。
S3中低温回火处理的具体操作为：在160℃的温度下保温2.5h。
S4中自制稀土甲醇盐溶液的制备步骤包括：
步骤1、将苯和无水甲醇分别置于80℃和65℃的温度下进行蒸馏，获得蒸馏脱水处理后的苯和无水甲醇；
步骤2、用工具刀去除金属钠表面的氧化皮后将其慢慢放入装有步骤1中无水甲醇的广口瓶中，直至广口瓶中金属钠消失后再继续加入去除氧化皮的金属钠，重复上述操作，直至加入的金属钠不再有气泡产生，取出剩余的金属钠，广口瓶中所得粘稠液体即为甲醇钠；
步骤3、通入氮气排空三口烧瓶内的空气后加入50重量份步骤1中的苯、16重量份步骤2中的甲醇钠和18重量份稀土氯化物，接着重新通入氮气并将水浴温度升高至85℃，保温5h后使三口烧瓶内的苯随氮气排出，停止保温后冷却至常温并静置过夜，所得粉末即为自制稀土甲醇盐；
步骤4、将自制稀土甲醇盐分散于无水乙醇中，搅拌分散均匀后制备成质量浓度为20%的自制稀土甲醇盐溶液。
步骤3中的稀土氯化物为氯化镧和三氯化铈中的一种。
步骤4中搅拌分散均匀的搅拌速度为500r/min，搅拌分散均匀的搅拌时间为10min。
S4中氮化的过程中的氨分解率为60%。
实施例3
本实施例的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，工艺包括以下步骤：
S1、对金属接链环进行渗碳前处理，渗碳前处理的操作包括打磨、清洗和正火处理；
S2、将经过S1处理后的金属接链环置于离子炉内，在常压下升温至850℃后向炉膛内快速冲入乙炔气体调节至稳定压力300Pa，此时升温至930℃进行第一次渗碳，渗碳时间为3h后快速抽气并冲入氮气，接着调节至稳定压力70Pa进行第一次扩散，扩散时间为4h；
S3、重复S2中的渗碳和扩散操作，重复次数为5次后快速降温至850℃，再进行高温回火处理和抽淬，接着置于-90℃的温度下保温3h后进行低温回火处理，最后冷却至常温；
S4、将经过S3处理后的金属接链环置于离子炉内，并滴入39滴自制稀土甲醇盐溶液，通入氮气后升温至520℃保温6h进行氮化，最后降温至常温，所得即为经过表面渗碳和氮化后的金属接链环。
S1中金属接链环的材质为优质合金钢23MnNiMoCr54。
S1中渗碳前处理的具体操作为：依次使用120#、320#、800#、2000#和3000#的砂纸对金属接链环的表面进行打磨，接着使用酒精进行超声清洗，最后置于低压真空渗碳炉中以900℃的温度正火处理9min。
渗碳前处理的具体操作中超声清洗的频率为23kHz，超声清洗的时间为28min。
S3中高温回火处理的具体操作为：在820℃的温度下保温40min。
S3中低温回火处理的具体操作为：在160℃的温度下保温2.5h。
S4中自制稀土甲醇盐溶液的制备步骤包括：
步骤1、将苯和无水甲醇分别置于80℃和65℃的温度下进行蒸馏，获得蒸馏脱水处理后的苯和无水甲醇；
步骤2、用工具刀去除金属钠表面的氧化皮后将其慢慢放入装有步骤1中无水甲醇的广口瓶中，直至广口瓶中金属钠消失后再继续加入去除氧化皮的金属钠，重复上述操作，直至加入的金属钠不再有气泡产生，取出剩余的金属钠，广口瓶中所得粘稠液体即为甲醇钠；
步骤3、通入氮气排空三口烧瓶内的空气后加入48重量份步骤1中的苯、15重量份步骤2中的甲醇钠和17重量份稀土氯化物，接着重新通入氮气并将水浴温度升高至85℃，保温5h后使三口烧瓶内的苯随氮气排出，停止保温后冷却至常温并静置过夜，所得粉末即为自制稀土甲醇盐；
步骤4、将自制稀土甲醇盐分散于无水乙醇中，搅拌分散均匀后制备成质量浓度为18%的自制稀土甲醇盐溶液。
步骤3中的稀土氯化物为氯化镧和三氯化铈中的一种。
步骤4中搅拌分散均匀的搅拌速度为400r/min，搅拌分散均匀的搅拌时间为9min。
S4中氮化的过程中的氨分解率为55%。
对比例1
本对比例所提供的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺大致与实施例1相同，其主要区别在于：本对比例1省去了实施例1中的正火处理步骤。
对比例2
本对比例所提供的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺大致与实施例1相同，其主要区别在于：本对比例2省去了实施例1中的高温回火处理和低温回火处理。
对比例3
本对比例所提供的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺大致与实施例1相同，其主要区别在于：本对比例3未加入实施例1中的自制稀土甲醇盐溶液。
性能测试
将实施例1-3和对比例1-3中制备的金属接链环样品分别标记为实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2和对比例3，然后对实施例1-3和对比例1-3的性能进行检测，具体检测方法和检测项目如下：
1、采用HVS-1000型显微硬度计对实施例1-3和对比例1-3的硬度进行检测，所得数据记录于下表；
2、对实施例1-3和对比例1-3的摩擦性能进行检测，测试条件为：油润滑条件下，转速为200r/min，测试载荷为200N，室温条件下持续时间为30min，所得数据记录于下表；
3、使用质量浓度为5%的氯化钠溶液进行盐雾测试，对实施例1-3和对比例1-3的耐盐雾腐蚀时间进行记录，所得数据记录于下表；
4、对实施例1-3和对比例1-3的氮化层的屈服强度进行检测，所得数据记录于下表。
性能测试数据记录表
| 检测项目 | 表面硬度 | 心部硬度 | 磨损失重 | 耐盐雾腐蚀时间 | 屈服强度 |
| 单位 | HRC | HRC | mg | h | MPa |
| 实施例1 | 63.2 | 46.2 | 11.1 | 259 | 1889 |
| 实施例2 | 63.1 | 46.5 | 11.6 | 261 | 1876 |
| 实施例3 | 62.9 | 46.3 | 11.3 | 258 | 1882 |
| 对比例1 | 52.3 | 39.6 | 26.8 | 248 | 1698 |
| 对比例2 | 51.8 | 39.3 | 27.5 | 253 | 1765 |
| 对比例3 | 59.4 | 42.1 | 16.3 | 195 | 1821 |
通过上表中的数据显示可知，本实施例1-3中经过离子炉热处理工艺后制得的金属接链环样品的力学性能均优于对比例1-3，说明本实施例1-3中的正火处理步骤、高温回火处理和低温回火处理步骤均能够起到加强金属硬度，改善金属表面力学性能的作用，而且本实施例1-3中经过离子炉热处理工艺后制得的金属接链环样品的耐盐雾腐蚀时间明显长于对比例3，说明在氮化的过程中加入自制稀土甲醇盐溶液能够改善金属表面的耐腐蚀性能。综上说明，本发明提供的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺能够更好地应用于金属表面处理行业中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
S1、对金属接链环进行渗碳前处理，渗碳前处理的操作包括打磨、清洗和正火处理；
S2、将经过S1处理后的金属接链环置于离子炉内，在常压下升温至850℃后向炉膛内快速冲入乙炔气体调节至稳定压力300Pa，此时升温至930℃进行第一次渗碳，渗碳时间为2-3h后快速抽气并冲入氮气，接着调节至稳定压力70Pa进行第一次扩散，扩散时间为4-5h；
S3、重复S2中的渗碳和扩散操作，重复次数为5-6次后快速降温至850℃，再进行高温回火处理和抽淬，接着置于-90℃的温度下保温2-3h后进行低温回火处理，最后冷却至常温；
S4、将经过S3处理后的金属接链环置于离子炉内，并滴入38-40滴自制稀土甲醇盐溶液，通入氮气后升温至520℃保温5-7h进行氮化，最后降温至常温，所得即为经过表面渗碳和氮化后的金属接链环。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述S1中金属接链环的材质为优质合金钢23MnNiMoCr54。
3.根据权利要求1所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述S1中渗碳前处理的具体操作为：依次使用120#、320#、800#、2000#和3000#的砂纸对金属接链环的表面进行打磨，接着使用酒精进行超声清洗，最后置于低压真空渗碳炉中以900℃的温度正火处理8-10min。
4.根据权利要求3所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述渗碳前处理的具体操作中超声清洗的频率为22-23kHz，超声清洗的时间为25-30min。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述S3中高温回火处理的具体操作为：在820℃的温度下保温40min。
6.根据权利要求1所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述S3中低温回火处理的具体操作为：在160℃的温度下保温2-2.5h。
7.根据权利要求1所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述S4中自制稀土甲醇盐溶液的制备步骤包括：
步骤1、将苯和无水甲醇分别置于80℃和65℃的温度下进行蒸馏，获得蒸馏脱水处理后的苯和无水甲醇；
步骤2、用工具刀去除金属钠表面的氧化皮后将其慢慢放入装有步骤1中无水甲醇的广口瓶中，直至广口瓶中金属钠消失后再继续加入去除氧化皮的金属钠，重复上述操作，直至加入的金属钠不再有气泡产生，取出剩余的金属钠，广口瓶中所得粘稠液体即为甲醇钠；
步骤3、通入氮气排空三口烧瓶内的空气后加入45-50重量份步骤1中的苯、15-16重量份步骤2中的甲醇钠和15-18重量份稀土氯化物，接着重新通入氮气并将水浴温度升高至85℃，保温4-5h后使三口烧瓶内的苯随氮气排出，停止保温后冷却至常温并静置过夜，所得粉末即为自制稀土甲醇盐；
步骤4、将自制稀土甲醇盐分散于无水乙醇中，搅拌分散均匀后制备成质量浓度为15-20%的自制稀土甲醇盐溶液。
8.根据权利要求7所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述步骤3中的稀土氯化物为氯化镧和三氯化铈中的一种。
9.根据权利要求7所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述步骤4中搅拌分散均匀的搅拌速度为300-500r/min，搅拌分散均匀的搅拌时间为8-10min。
10.根据权利要求1所述的一种用于金属表面渗碳和氮化的离子炉热处理工艺，其特征在于，所述S4中氮化的过程中的氨分解率为50-60%。
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