專利名稱：黑色金屬的空氣離子氧氮共滲工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面強化工藝。適用于鑄鐵、碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和工模具鋼的表面強化。
背景技術(shù)：
離子滲氮是一種強化金屬表面的工藝，該工藝流程為(1)將調(diào)質(zhì)后的試樣清洗、干燥，置于陰極盤上，關(guān)閉爐體，用機械泵將離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50～120Pa；(2)由電源向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至爐內(nèi)打散弧，打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散??；(3)向滲氮爐內(nèi)通入氨氣或氮-氫混合氣；(4)以50～100℃/小時的速度將工件加熱到500-580℃；(5)保溫0.5～60小時后，關(guān)閉氣源和電源，用機械泵排除離子滲氮爐內(nèi)的氨氣或氮-氫混合氣，以50～100℃/小時隨爐冷至50～150℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開爐取出工件。
為了進一步加快滲氮速度或提高某些性能，擴大其應(yīng)用范圍，在離子滲氮的基礎(chǔ)發(fā)展了多元共滲工藝，如離子氧氮共滲、離子氧氮碳共滲和離子氧硫共滲等。離子氧氮共滲和離子氧氮碳共滲是在離子滲氮和離子氮碳共滲的基礎(chǔ)上，加入少量的O2或CO2而實現(xiàn)的。離子氧硫氮共滲是用SO2+NH3作為氣源，其用量配比SO2∶NH3約為1∶4～12。無論用O2、CO2或SO2作為滲氧的氣源，都需要一定的工藝制備，還需要瓶裝和運輸，增加了有氧離子多元共滲的成本，SO2氣體還會造成環(huán)境污染。
直接利用空氣作為離子氧氮共滲的氧氣源，用空氣和氨氣進行離子氧氮共滲工藝，至今未見報道。
目前所用離子滲氮爐，有的用液氨作滲氮氣源，有的用氮-氫混合氣作滲氮氣源。處理時，滲氮氣體通過橡皮軟管接入干燥筒下部的氣嘴，經(jīng)氣嘴進入筒中的干燥劑層后，由上部的氣嘴用橡皮軟管連接到氣體流量計的下端氣嘴，打開流量計針形閥，滲氮氣體通過針形閥和玻璃管后由上端氣嘴用橡皮軟管接入離子滲氮爐。本發(fā)明的供氣系統(tǒng)是在離子滲氮供氣系統(tǒng)上添加一根通入空氣的管道，用針形閥控制進入干燥筒中的空氣量，經(jīng)干燥后的空氣，由干燥筒上端的氣嘴用橡皮軟管連接到流量計的下端氣嘴。打開流量計針形閥，空氣通過針形閥和玻璃管后由上端氣嘴用橡皮軟管接入離子滲氮爐內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種黑色金屬的空氣離子氧氮共滲工藝，利用該工藝對黑色金屬工件進行離子氧氮共滲，減少氨氣的使用量和氨氣對環(huán)境污染，加快滲氮速度，提高黑色金屬工件的耐磨性和耐腐蝕性。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明按以下步驟進行(1)將調(diào)質(zhì)后的工件清洗并干燥后裝入離子滲氮爐內(nèi)的陰極盤上；(2)關(guān)閉爐體，對離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50～120Pa；(3)接通電源開關(guān)，向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至離子滲氮爐內(nèi)打散弧，待打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散??；(4)按滲氮氣體與空氣的流量比為70～95∶5～30，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入滲氮氣體和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃。該步中的滲氮氣體可為氨氣或氮-氫混合氣，用氮-氫混合氣作滲氮氣體時，氮氣與氫氣的混合比為14～19∶56～76；(5)保溫0.5～60小時后，關(guān)閉氣源和電源，抽出離子滲氮爐內(nèi)的滲氮氣體和空氣，并以50～100℃/小時隨爐冷至50～150℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開爐取出工件。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下技術(shù)效果與普通離子滲氮相比，空氣離子氧氮共滲工藝減少了污染，提高了滲氮速度，黑色金屬工件的耐磨性和抗腐蝕性均得到了明顯的提高。
本發(fā)明與普通離子相比，減少了氨氣的使用量5～30％，從而減少了氨氣對環(huán)境的污染。
從圖3和圖4可以看出6小時45鋼普通離子滲氮后滲氮層深度為0.47mm，而用本發(fā)明對45鋼進行空氣離子氧氮共滲處理在相同的時間內(nèi)滲氮層深度可達0.58～0.67mm；6小時40Cr鋼普通離子滲氮滲氮層深度為0.28mm，而用本發(fā)明對40Cr鋼進行空氣離子氧氮共滲處理在相同的時間內(nèi)滲氮深度可達0.38～0.46mm。
圖7和圖8為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮與空氣離子氧氮共滲工藝處理的電化學(xué)性能測試塔費爾曲線，普通離子滲氮時40Cr鋼的腐蝕電位為-856.625mV(相對于甘汞電極SCE)，腐蝕速度為0.317664μA/cm2；空氣離子氧氮共滲時40Cr鋼的腐蝕電位為-859.375mV(相對于甘汞電極SCE)，腐蝕速度為0.077562μA/cm2?？諝怆x子氧氮共滲后工件的腐蝕速度明顯減慢，抗腐蝕性能明顯提高。
圖9為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮與空氣離子氧氮共滲處理后相互對磨的磨損曲線，由圖可見，隨著磨損時間的延長，普通離子滲氮工件的失重量迅速增加。相互對磨11小時后，常規(guī)離子滲氮處理的40Cr鋼工件失重量為8.0890g，采用空氣離子氧氮共滲工藝處理的工件失重量為2.2888g，空氣離子氧氮共滲后工件的耐磨性得到明顯的提高。


圖1為氨氣作滲氮氣源的空氣離子氧氮共滲工藝供氣系統(tǒng)示意圖，圖2為氮-氫混合氣作滲氮氣源的空氣離子氧氮共滲工藝供氣系統(tǒng)示意圖，圖3分別為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮和不同離子氧氮共滲工藝處理后的顯微硬度曲線，圖4分別為45鋼經(jīng)普通離子滲氮和不同離子氧氮共滲工藝處理后的顯微硬度曲線，圖5為45鋼經(jīng)空氣離子氧氮共滲工藝處理后工件表面的的X衍射分析圖譜，圖6為45鋼經(jīng)普通離子滲氮工藝處理后工件表面的的X衍射分析圖譜，圖7為40Cr鋼經(jīng)空氣離子氧氮共滲工藝處理后的電化學(xué)性能測試塔費爾曲線，圖8為40Cr鋼經(jīng)普通離子滲氮工藝處理后的電化學(xué)性能測試塔費爾曲線，圖9為40Cr鋼經(jīng)離子氧氮共滲和離子滲氮后的耐磨性能測試結(jié)果。
在圖1中，1為液氨瓶，2、3、4為流量計，5為干燥筒，6為離子滲氮爐體，7為工件，8為陰極盤。
在圖2中，1為液氮瓶，2為液氫瓶、3、4、5為流量計，6為干燥筒，7為離子滲氮爐體，8為陰極盤，9為工件。
在圖3和圖4中，橫坐標(biāo)表示離表面的距離，縱坐標(biāo)表示硬度值(HV0.2)，E10表示純氨離子滲氮工件，E9表示添加10％空氣的離子氧氮共滲工件、E8表示添加20％空氣的離子氧氮共滲工件。
在圖5和圖6中，橫坐標(biāo)表示衍射角2θ，縱坐標(biāo)表示衍射強度I，X射線衍射峰上的標(biāo)識為各物相。
在圖7和圖8中，橫坐標(biāo)表示電位(伏)，縱坐標(biāo)表示Lg(I，毫安)。
在圖9中，橫坐標(biāo)表示磨損時間(小時)，縱坐標(biāo)表示失重量(克)。
具體實施例方式實施例1 45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝(1)將調(diào)質(zhì)后的工件清洗、干燥，裝入離子滲氮爐內(nèi)的陰極盤上；(2)關(guān)閉爐體，用機械泵將離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50-120Pa；(3)接通電源開關(guān)，向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至離子滲氮爐內(nèi)打散弧，打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散??；(4)滲氮氣體與空氣的配比流量 流量比氨氣9.0L/Min 90空氣1.0L/Min 10按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；(5)保溫6小時后，關(guān)閉氣源和電源，用機械泵抽出離子滲氮爐內(nèi)的氨氣和空氣，并以50～100℃/小時隨爐冷至50-150℃后停爐，待工件在離子滲氮爐中冷至室溫后開爐取出工件。
實施例2 45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體和空氣的配比流量 流量比氨氣8.0L/Min80空氣2.0L/Min20按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案的相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
實施例3 45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體與空氣的配比流量流量比氨氣7.0L/Min70空氣3.0L/Min30按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
實施例4 45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體與空氣的配比流量 流量比氮氣1.6L/Min 16氫氣 6.4L/Min 64
空氣 2.0L/Min 20按上述配比調(diào)整氮氣、氫氣和空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氮氣、氫氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案的相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
實施例5 40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體與空氣的配比流量 流量比氨氣9.0L/Min 90空氣1.0L/Min 10按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案的相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
實施例6 40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體與空氣的配比流量流量比氨氣8.0L/Min80空氣2.0L/Min20按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案的相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
實施例7 40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體與空氣的配比流量 流量比氨氣7.0L/Min70空氣3.0L/Min30按上述配比調(diào)整氨氣、空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃
空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案的相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
實施例8 40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝滲氮氣體與空氣的配比流量 流量比氮氣1.6L/Min 16氫氣6.4L/Min 64空氣2.0L/Min 20按上述配比調(diào)整氮氣、氫氣和空氣的流量，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氮氣、氫氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；空氣離子氧氮共滲保溫時間為6小時；其余步驟及技術(shù)內(nèi)容與技術(shù)方案的相應(yīng)步驟及技術(shù)內(nèi)容相同。
權(quán)利要求
1.一種黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于該工藝按以下步驟進行(1)將調(diào)質(zhì)后的試樣清洗并干燥后裝入離子滲氮爐內(nèi)的陰極盤上；(2)關(guān)閉爐體，對離子滲氮爐內(nèi)抽真空至50～120Pa；(3)接通電源開關(guān)，向陰極輸入10～1000V的可調(diào)直流高壓至離子滲氮爐內(nèi)打散弧，待打散弧稀少后再調(diào)整直流電壓，直至不打散?。?4)按滲氮氣體與空氣的流量比為70～95∶5～30，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入滲氮氣體和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；(5)保溫0.5～60小時后，關(guān)閉氣源和電源，抽出離子滲氮爐內(nèi)的滲氮氣體和空氣，并以50～100℃/小時隨爐冷至50～150℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開爐取出工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于滲氮氣體為氮氣與氫氣混合氣體時，其混合比例為14～19∶56～76。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氨氣與空氣的流量比為90∶10，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，由輝光放電將工件以50～100℃/小時的速度加熱到500～580℃；(5)保溫6小時后，關(guān)閉氣源和電源，抽出離子滲氮爐內(nèi)的氨氣和空氣，并以50～100℃/小時隨爐冷至50-150℃后停爐，待工件在爐中冷卻至室溫后開爐取出工件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氨氣與空氣的流量比為80∶20，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氨氣與空氣的流量比為70∶30，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于45鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氮氣、氫氣和空氣的流量比為16∶64∶20，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氮氣、氫氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氨氣與空氣的流量比為90∶10，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氨氣與空氣的流量比為80∶20，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氨氣與空氣的流量比為70∶30，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氨氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的黑色金屬工件的空氣離子氧氮共滲工藝，其特征在于40Cr鋼工件的空氣離子氧氮共滲工藝按以下步驟進行(1)如權(quán)利要求1中(1)步所述內(nèi)容；(2)如權(quán)利要求1中(2)步所述內(nèi)容；(3)如權(quán)利要求1中(3)步所述內(nèi)容；(4)按氮氣、氫氣和空氣的流量比為16∶64∶20，經(jīng)干燥后同時向離子滲氮爐內(nèi)通入氮氣、氫氣和空氣，其加熱速度和加熱溫度如權(quán)利要求1中(4)所述的加熱速度和加熱溫度；(5)保溫6小時，其余技術(shù)內(nèi)容如權(quán)利要求1中(5)步所述內(nèi)容。
全文摘要
一種黑色金屬的空氣離子氧氮共滲工藝涉及金屬表面強化處理工藝，主要解決黑色金屬離子滲氮的速度和進一步提高工件表面耐磨性、耐腐蝕性問題。本發(fā)明包括將調(diào)質(zhì)后的工件清洗、干燥、入爐，將離子滲氮爐內(nèi)抽成真空，輸入直流電壓，按比例通入滲氮氣體和空氣同時加熱，保溫，緩冷，爐冷，出爐。本發(fā)明能減少污染，加快滲氮速度，提高滲氮工件的耐磨、耐腐蝕性能。適用于鑄鐵、碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和工模具鋼的表面強化。
文檔編號C23C8/38GK1556243SQ20041002164
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者周上祺, 龍發(fā)進, 任勤, 劉守平, 劉林飛 申請人:重慶大學(xué)