專利名稱：金屬熱處理氮化工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬表面熱處理加工，尤其涉及鋼鐵零件及模具氮化熱處理工藝。
背景技術(shù)：
熱處理氮化是鋼鐵在520°C 570°C的溫度條件下，在氨氣+氮氣或氨氣+甲醇+ 氮氣氣氛中氮化和軟氮化。近年來，在氮化和軟氮化工藝上，有多種實施方式例如說預(yù)先 抽真空后充氨氣，或氨氣+甲醇氮化處理工藝；還有在先低真空加熱，后脈沖充氨氣進行氮 化等工藝。現(xiàn)有的硬氮化技術(shù)，周期一般在24 28小時，氮化層達到0. 2 0. 3mm，滲氮過 程中，氮勢不易控制，由于氮勢過高而形成脆相，導(dǎo)致機械零件的性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種金屬熱處理氮化工藝，不僅能減少工藝時間， 而且鋼鐵經(jīng)處理后可穩(wěn)定地得到良好的氮化層組織，具有較佳的韌性和硬度。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種金屬熱處理氮化工藝，其特征是在滲氮前先進行預(yù)氧化，使金屬表面形成均 勻的氧化膜，包括如下步驟(1)對爐罐抽真空；(2)充氮氣，均勻加熱至520_570°C ；(3)在氮氣氣氛下充氧氣。優(yōu)選地，充氧氣后氣體成分為20%氧氣和80%氮氣。本發(fā)明在氮化前，進行了預(yù)氧化處理，使金屬表層形成了一層均勻的活性氧化膜。 實際生產(chǎn)表明，在普通氮化過程中，時有在氮化中滲不進氮的現(xiàn)象。其原因就是在初始時， 金屬表面沒有形成能吸附活性氮的核。在氮化的滲氮過程中，活性氮原子吸附在金屬的表 面，達到一定的勢壘后才能躍過金屬的表面向金屬內(nèi)部擴散。而金屬表面的活性氧化膜，則 是初始活性氮原子吸附的核，使活性氮能較高效率地吸附在金屬的表面，加快了氮化的速 度。因此當金屬表面形成活性氧化膜后，氮化過程的演變是非常穩(wěn)定的。優(yōu)選地，滲氮過程為充入包括氨氣和氮氣的混合氣體，分兩個階段，第一階段中氨 氣和氮氣比例為1 1，第二階段中氨氣和氮氣比例為1 3。優(yōu)選地，所述滲氮過程的充氣方式為脈沖式充氣，每次充氣前預(yù)先抽真空，以排除 已分解的氣體。每次脈沖循環(huán)，都是在真空狀態(tài)下將定量的氨氣_氮氣穩(wěn)定送入爐內(nèi)。由 于在傳統(tǒng)的注入-排氣工藝中，還沒有完全排除殘留氣體，就補充新的氣體進去，新舊氣體 無序混合，使得氨氣在爐內(nèi)分解過程中，氨分解率難以控制，導(dǎo)致氣氛氮勢不衡定，過高和 過低的氨分解率都影響氮化的滲入速度和滲氮層的質(zhì)量，因此不僅耗時長，而且效果不佳。 而在本發(fā)明中，每次充氣前都是真空狀態(tài)，這樣通過排空已反應(yīng)后的氣氛，輸入新的氣體的 周期時間(脈沖寬度)，調(diào)節(jié)輸入氣體量，控制了爐內(nèi)的氨分解率，達到控制分解的活性氮 的含量，以保持相對恒定的氮勢比例。
優(yōu)選地，爐罐內(nèi)的溫度是均勻的。隨時保持零件或模具在均勻溫度條件下，使其一 直處于循環(huán)流動的氣氛當中。這樣一來，無論是加熱或冷卻傳導(dǎo)，都能控制零件或模具在氮 化處理過程中的形變，同時保證零件和模具在同一溫度條件下，滲入金屬的氮原子具有相 同的擴散速率，使氮化層深結(jié)構(gòu)組織均勻分布。本發(fā)明具有氮化工件及模具滲速快、無盲孔深孔效應(yīng)、氮化氣氛極易控制的有益 效果，質(zhì)量穩(wěn)定，脆性可達到0級。相對應(yīng)普通氣體氮化工藝，本發(fā)明縮短加工周期，簡化了 工藝，節(jié)約了能源，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
具體實施例方式本發(fā)明通過以下步驟實施(1)工件或模具預(yù)抽低真空< IOOMPa ；(2)(排除影響氮化的氣體后)充以純氮氣，在循環(huán)流動的氮氣氣氛中均勻加熱至 520-570 0C ；(3)充以氧氣，使金屬表面預(yù)先形成均勻的活性氧化膜；(4)滲氮第一階段，以1 1 (可調(diào))的氨氣_氮氣比例進行真空脈沖式充氣_抽 氣滲氮；(5)滲氮第二階段，以1 3(可調(diào))的氨氣_氮氣比例進行真空脈沖式充氣-抽 氣滲氮；(6)氮化過程結(jié)束后抽低真空< lOOMPa，在氮氣氣氛中強制冷卻，冷卻速度 彡IO0C /分鐘；(7)冷卻至低于100°C出爐。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在滲氮前增加了活性預(yù)氧化工藝。實際生產(chǎn)表明，在普通 氮化過程中，時有在氮化中滲不進氮的現(xiàn)象。其原因就是在初始時，金屬表面沒有形成活性 氮原子能吸附的核。在氮化的滲氮過程中，活性氮原子要吸附在金屬的表面，達到一定的 勢壘后才能躍過金屬的表面向金屬內(nèi)部擴散。而金屬表面的活性氧化膜，則是初始活性氮 原子吸附的核，使活性氮能較高效率地吸附在金屬的表面，加快了氮化的速度。因此當金 屬表面形成活性氧化膜后，氮化過程演變是非常穩(wěn)定的。活性氧化膜的形成不同于一般氧 化膜，在常溫和較低溫度下形成的氧化膜，在滲氮過程中該氧化膜不具有“活性”的屬性，它 很少或幾乎沒有吸附活性氮原子的作用。在抽真空后的高溫條件下(優(yōu)選的溫度條件為 5400C )，充入純氮氣，在氮氣保護下，充入氧氣，此過程與金屬表面形成的氧化膜，才能生成 “活性”的氧化膜，達到氧化膜催化氮化進程的目的。預(yù)氧化時，這兩種氣體的比例為20% 的氧氣和80%的氮氣。在氮化處理過程中，充入的氣體為一定的氨氣和氮氣，具體比例視不同鋼種、不同 階段情況而定。在本實施例中，氮化過程分兩階段，第一階段氨氣-氮氣比例為1 1，第二 階段氨氣-氮氣比例為1 3。沖入方式為可調(diào)脈沖式，通過設(shè)置頻率或調(diào)整充氣時間來達 到調(diào)整脈沖寬度。需要保證的是每一次充入新氣體前，爐內(nèi)呈真空狀態(tài)。這樣給入的氣氛是 常量，在氨氣_氮氣分解過程中的條件一致，使氨氣的分解率穩(wěn)定，氮勢穩(wěn)定，滲氮速度快， 能達到理想的滲氮層，氮化時間大大縮短。依“真空_脈沖式充氣_真空-脈沖式充氣”循 環(huán)作業(yè)，可得到穩(wěn)定的氮化組織，脆性0級，節(jié)約了能源、工效，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
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其中，滲氮過程中氨氣和氮氣的比例、充氣時間、沖入量、冷卻速度等都與材料屬 性有關(guān)。無論是預(yù)氧化過程還是氮化過程，都需保持爐灌內(nèi)的氣體循環(huán)流動。升溫過程，在 氣體強對流熱傳導(dǎo)條件下金屬零件才可被均勻加熱；預(yù)氧化時，零件表面短時間能均勻形 成活性氧化膜；氮化時，強攪拌對流氣體，可保證爐內(nèi)的溫度時時刻刻均勻，使爐內(nèi)零件在 同一溫度中滲氮。在本實施例中，在爐內(nèi)設(shè)置大流量風(fēng)扇，充氣后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，流動爐內(nèi)氣 體；抽真空時，風(fēng)扇停止工作。無論是加熱或冷卻傳導(dǎo)，都能控制零件或模具在氮化處理過 程中的溫差形變。同時，零件和模具在相同溫度下滲氮，使氮化層深淺、組織均勻。通常，零件或模具的結(jié)構(gòu)若存在盲孔，舊氣體滯留在孔中，直接會影響新氣體的進 入，因此在本發(fā)明中的“真空_脈沖式充氣_真空-脈沖式充氣”周期中，能強制幫助這些 舊氣體的排出，引入新氣體，使盲孔處的滲氮條件與非盲孔一致。解決了盲孔深盲孔氮化層 不均勻的問題。
權(quán)利要求
一種金屬熱處理氮化工藝，其特征是在滲氮前先進行預(yù)氧化，使金屬表面形成均勻的氧化膜，包括如下步驟(1)對爐罐抽真空；(2)充氮氣，均勻加熱至520-570℃；(3)在氮氣氣氛下充氧氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬熱處理氮化工藝，其特征是充氧氣后氣體成分為20% 氧氣和80%氮氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬熱處理氮化工藝，其特征是滲氮過程為充入包括氨氣 和氮氣的混合氣體，分兩個階段，第一階段中氨氣和氮氣比例為1 1，第二階段中氨氣和 氮氣比例為1 3。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬熱處理氮化工藝，其特征是所述滲氮過程的充氣方式 為脈沖式充氣，每次充氣前先抽真空。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬熱處理氮化工藝，其特征是爐罐內(nèi)的溫度是均勻的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬熱處理氮化工藝，其特征是在滲氮前先進行預(yù)氧化，使金屬表面形成均勻的氧化膜，包括如下步驟(1)對爐罐抽真空；(2)充氮氣，均勻加熱至520-570℃；(3)在氮氣氣氛下充氧氣。本發(fā)明在氮化前，進行了預(yù)氧化處理，使金屬表層形成了一層均勻的活性氧化膜。金屬表面的活性氧化膜，是初始活性氮原子吸附的核，使活性氮能較高效率地吸附在金屬的表面，加快了氮化的速度。因此當金屬表面形成活性氧化膜后，氮化過程演變是非常穩(wěn)定的。
文檔編號C23C8/34GK101886241SQ20091005126
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者姚一平, 張紹貽, 徐綱 申請人:上海納鐵福傳動軸有限公司