一種氮弧原位冶金預(yù)鋪設(shè)氮化物實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及材料表面處理領(lǐng)域，具體為一種利用氮弧原位冶金預(yù)鋪設(shè)氮化物 實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的方法，適用于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等表面的高強(qiáng)耐蝕化處理。
【背景技術(shù)】
[0002] 常用表面的增氮方法有氣體滲氮和離子滲氮。
[0003] 氣體滲氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮）或多段(二段、三段)滲氮法。前者是在 整個(gè)滲氮過(guò)程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480~520°C之間，氨氣分解 率為15~30%，保溫時(shí)間近80小時(shí)。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬度要求高的零 件，但處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。多段滲氮是在整個(gè)滲氮過(guò)程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨 分解率、不同時(shí)間進(jìn)行滲氮和擴(kuò)散。整個(gè)滲氮時(shí)間可以縮短到近50小時(shí)，能獲得較深的滲 層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大。
[0004] 離子滲氮是利用輝光放電原理進(jìn)行的。與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮其特點(diǎn) 是:①可適當(dāng)縮短滲氮周期;②滲氮層脆性小;③可節(jié)約能源和氨的消耗量;④對(duì)不需要滲 氮的部分可屏蔽起來(lái)，實(shí)現(xiàn)局部滲氮;⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化 膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮;⑥滲層厚度和組織可以控制。但是其設(shè)備控制復(fù)雜， 爐溫的均勻性不好。
[0005] 綜上可知，常用的這兩種滲氮方法，滲氮前需要預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)和預(yù)備熱處理去 應(yīng)力處理，同時(shí)滲氮零件的表面粗糙度Ra應(yīng)小于1.6um等等限制。滲氮處理工藝的周期長(zhǎng)、 滲氮層薄、溫度控制要求嚴(yán)、對(duì)零件的表面預(yù)處理要求嚴(yán)格、設(shè)備控制復(fù)雜。兩種氣體滲氮 方法都需要在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，且耗時(shí)長(zhǎng)，滲氮層薄、增氮量低、增氮層成分不可調(diào)。
[0006] 其他表面處理技術(shù)，如傳統(tǒng)熱噴涂、噴焊以及堆焊也可用于材料表面的增氮處理。 表面熱噴涂增氮法屬于氮化物陶瓷噴涂技術(shù)，并不是冶金結(jié)合，同時(shí)熱噴涂法對(duì)基材表面 的預(yù)處理要求比較高，需要進(jìn)行粗化處理，且對(duì)噴涂粉的顆粒直徑要求比較高。傳統(tǒng)的噴焊 技術(shù)可以使粉末或焊絲，能夠與母材形成冶金結(jié)合，但是噴焊層的稀釋率高，一般約5%~ 10%，且需要預(yù)熱處理，噴焊材料的熔點(diǎn)要求比基體熔點(diǎn)低，同時(shí)，在噴焊過(guò)程中，噴焊的高 氮層的成分不可調(diào)。堆焊一般用焊絲，堆焊層成分只能是焊絲成分，堆焊層成分不可設(shè)計(jì)， 即用堆焊方法對(duì)鋼表面進(jìn)行增氮處理，所獲得的增氮層的成分不可設(shè)計(jì)。
[0007] 中國(guó)專利（201310398151.2)公開(kāi)了一種使用高速氧燃料熱噴涂和等離子滲氮用 于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法及系統(tǒng)。所獲得的增氮層成分不可設(shè)計(jì)、厚度薄，且對(duì)合金粉末顆 粒直徑要求嚴(yán)格。中國(guó)專利(201110309131.4)涉及一種基于零件再制造修復(fù)的反應(yīng)氮弧熔 覆耐磨涂層制備工藝。將調(diào)制的漿料涂覆在零件表面烘干后，用氮弧熔敷，漿料中不含氮元 素，僅靠氮弧增氮效果不明顯，且烘干需要時(shí)間，若沒(méi)有完全烘干可能會(huì)引起氫致裂紋。而 本實(shí)用新型直接將氮化物合金粉末鋪設(shè)在待處理的鋼表面上，采用氮弧原位冶金，不需要 增加烘干工藝，且采用了氮化物和氮弧聯(lián)合增氮技術(shù)，增氮效果明顯且耗時(shí)短。中國(guó)專利 (201310650075.X)公開(kāi)了一種用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法，具體為通過(guò)真空 凈化充高壓氮?dú)鈼l件用等離子弧加氮熔煉鋼坯，而本實(shí)用新型不需要加真空，且增氮量遠(yuǎn) 遠(yuǎn)超過(guò)用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 本實(shí)用新型的目的在于提供了一種氮弧原位冶金預(yù)鋪設(shè)氮化物實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮 的方法及其裝置，
[0009] 本實(shí)用新型一種氮弧原位冶金預(yù)鋪設(shè)氮化物實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的方法及其裝置的 技術(shù)方案為：
[0010] -種氮弧原位冶金預(yù)鋪設(shè)氮化物實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的方法，其包括步驟如下：
[0011] 步驟1，通過(guò)目標(biāo)高氮鋼層的目標(biāo)合金成分，確定鐵元素含量I% ;選擇低碳鋼作 為母材；
[0012] 根據(jù)高氮鋼層的目標(biāo)合金成分，確定所需的作為鋪粉原料的合金粉末中合金元素 i的含量Wif%比，經(jīng)修正關(guān)系式Wif修正％?Wif%X (1+yi+U修正后得到粉末中合金元素i 含量的修正值Wif修正％，并配制合金粉末；其中yi為燒損系數(shù)，yi = 0.2%~5%|為散射飛 濺損失系數(shù)，I = 2%~8% ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不為鐵；
[0013] 步驟2,根據(jù)目標(biāo)高氮鋼層中除鐵元素之外的合金元素i的含量Wi%與鐵元素含量 的關(guān)系式之階％: 得到所有合金元素與鐵元素的成分比a:比確定單位面積上 /二1 合金粉末質(zhì)量與單位面積上恪入恪池的鋼母材質(zhì)量mgt謝比為a: 0;
[0014] 步驟3,根據(jù)堪|^=a:0，可得高氮鋼層恪合比
確定恪入高氮鋼 層的鐵基材的厚度h = BXW，B為目標(biāo)高氮鋼層的厚度；確定合金粉末層厚度Hf，其滿足
;1(為合金粉末層熔化凝固成固體塊的厚度減少系數(shù)，K = 0.4-0.9;
[0015] 步驟4,啟動(dòng)焊接裝置，采用焊接電流I和焊接速率v，采用厚度為h的低碳鋼母材， 厚度為M?的合金粉末，進(jìn)行堆焊，最終獲得目標(biāo)厚度的高氮鋼層。
[0016] 進(jìn)一步的，焊接電流選擇I為80A~200A;
[0017] 焊接速率v，選擇v為3mm/min~16mm/min;采用10%Ar+90%N2混合氣作為焊接保 護(hù)氣，氣流速率為l〇L/min~35L/min。
[0018] 為使上述方法能夠順利進(jìn)行，避免保護(hù)氣吹散鋼表面預(yù)鋪置的氮化物合金粉末， 本實(shí)用新型對(duì)非熔化極氣體保護(hù)焊槍噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
[0019] -非熔化極氣體保護(hù)焊槍;所述的非熔化極氣體保護(hù)焊槍噴嘴為半面缺口式結(jié) 構(gòu)，所述的缺口背對(duì)焊接方向；
[0020] 所述的非熔化極氣體保護(hù)焊槍的噴嘴內(nèi)壁連有限流隔板;所述的限流隔板3由兩 塊上底邊重合的梯形板拼合。
[0021] 所述的噴嘴出口半徑r為5-8mm。
[0022] 所述的梯形板上底為2-5mm，下底為8-10mm。
[0023] 所述的梯形板上底邊距噴嘴距離為30-50mm，梯形板下底距噴嘴口距離為4-8mm。 [0024]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0025] 1、本實(shí)用新型提供的方法可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮并高氮鋼化，獲得的增 氮層厚度可達(dá)幾毫米甚至厘米級(jí)，且增氮層成分可設(shè)計(jì)；
[0026] 2、通過(guò)外加鐵粉和鋼基材聯(lián)合添加鐵元素時(shí)，調(diào)節(jié)合金粉末中鐵粉的含量可以控 制鋼基體恪入尚氣鋼層的厚度。即鋼基體恪入尚氣鋼層的厚度可調(diào)；
[0027] 3、采用帶限流隔板的半面缺口式噴嘴，可有效控制保護(hù)氣流向，避免預(yù)鋪置的合 金粉末被吹散；
[0028] 4、本實(shí)用新型提供的方法不僅實(shí)現(xiàn)了鋼表面增氮效果，還可以添加其他有益合金 元素，實(shí)現(xiàn)鋼表面高氮鋼化，所獲得的增氮層具有良好的高強(qiáng)耐蝕性能。獲得的增氮層與鋼 基體之間是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為氮弧原位冶金預(yù)鋪置氮化物實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]