專利名稱：稀土在氣體滲氮及氮碳共滲工藝中的應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出稀土催滲劑在氣體滲氮(硬氮化)及氮碳共滲(軟氮化)工藝中的具體應(yīng)用方法。
氣體滲氮及氮碳共滲是在生產(chǎn)上應(yīng)用多年的成熟工藝，廣泛應(yīng)用于需要高的耐磨性，抗腐蝕和抗疲勞的機(jī)器零件，如汽輪機(jī)上齒輪、閥門，橡膠及塑料機(jī)件，汽車齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。但它們存在著一些難以克服的缺點(diǎn)，例如典型的滲氮鋼38GrMoAl采用硬氮化處理時(shí)，欲達(dá)到表面硬度HV950～1100，滲層深度0．3～0．4mm需要30～40小時(shí)，0．4～0．5需40～50h，0．5～0．6需50～60h，不僅滲速緩慢，而且表面脆性大，金相組織也不理想。而一般碳鋼或合金鋼經(jīng)軟氮化處理后表面硬度不夠高，過渡區(qū)硬度梯度甚陡，如延長(zhǎng)處理時(shí)間，表面白亮層又會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重疏松。上述問題的存在，阻礙了硬氮化和軟氮化在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用。發(fā)明人大量試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用證明，在傳統(tǒng)的硬氮化及軟氮化表面處理工藝中加入發(fā)明人的發(fā)明專利《固體稀土化學(xué)熱處理催滲劑》，在相同的工藝條件下可將硬氮化時(shí)間縮短50～100％，表面硬度HV950～1100，脆性和金相組織明顯改善；可將軟氮化時(shí)間縮短30～50％，表面硬度相對(duì)提高HV100～200，脆性疏松及金相組織均明顯改善。傳統(tǒng)的氣體滲氮(硬氮化)均采用100％的氨氣作為獲取滲入的氮原子的介質(zhì)，而軟氮化的介質(zhì)則可分為兩種類別其一為氨氣+CO或+CO2(按一定比例)，或氨氣+甲醇或乙醇(按一定比例)；其二為用含N、C的有機(jī)化合物如甲酰胺、三乙醇胺或者尿素加入爐內(nèi)直接裂化后進(jìn)行軟氮化處理(實(shí)質(zhì)上為C、N原子共同滲入工件表面，而以N原子滲入為主)。本發(fā)明是在發(fā)明人有關(guān)稀土共滲技術(shù)系列發(fā)明專利1．《固體稀土化學(xué)熱處理催滲劑》，專利號(hào)ZL88104208．8；2．《滴注式稀土滲碳微機(jī)控制裝置》，專利號(hào)ZL94205831．3；3．《一種可控氣氛多用稀土滲碳爐》專利號(hào)，ZL95201764．4；4．《連續(xù)式可控氣氛滲碳爐稀土催滲劑加入裝置》申請(qǐng)?zhí)?7214598．2基礎(chǔ)上，引用相關(guān)技術(shù)，針對(duì)氣體滲氮(硬氮化)及氮碳共滲(軟氮化)工藝中如何實(shí)施加入稀土催滲劑而提出的發(fā)明，進(jìn)一步擴(kuò)展稀土共滲技術(shù)的應(yīng)用范圍。無(wú)論是硬氮化還是軟氮化原則上均可在下述三種系列的爐內(nèi)進(jìn)行處理，即①井式氣體滲氮爐；②可控氣氛密封箱式多用滲氮爐；③可控氣氛連續(xù)式(即貫通式)滲氮爐。無(wú)論哪種介質(zhì)原則上均可在上述三種系列的爐內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行硬氮化或軟氮化處理。
本發(fā)明的目的是提出兩種類型的稀土催滲劑，在氣體滲氮及氮碳共滲工藝中的應(yīng)用方法，其兩種稀土催滲劑，第一種為固體稀土催滲劑，將《固體稀土化學(xué)熱處理催滲劑》發(fā)明專利中的配方外加粘結(jié)劑，用擠壓的方法制造成φ15～φ30mm園球，或φ10～15×15～30mm的園柱體。第二種為液體稀土催滲劑，將《固體稀土化學(xué)熱處理催滲劑》發(fā)明專利中的配方，調(diào)制或液體，并把它按一定比例溶入含N、C的有機(jī)化合物如甲酰胺、三乙醇胺或甲醇、乙醇中，配制成稀土催滲劑。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的對(duì)通用型的固體稀土催滲劑與液體稀土催滲劑往上述三種系列滲氮爐內(nèi)的具體應(yīng)用方法可以各不相同，可根據(jù)具體情況選用下述方法一、固體稀土催滲劑1．固體包裝法其主要特點(diǎn)就是用一個(gè)特制的金屬盒子，將固體稀土催滲劑放置其中裸露或包覆起來(lái)，隨同工件一起入爐，在硬氮化或軟氮化過程中起催滲作用。其具體辦法如下，用薄鋼扳作成φ50～100×80～200mm園筒或尺寸相當(dāng)?shù)姆叫蔚暮凶?，其四周襯墊硅酸鋁纖維氈，將固體稀土催滲劑置于纖維氈的中心包覆起來(lái)，亦可用沙子包覆，裸露的則不用包覆，使其緩慢加熱。然后將盒子置于放工件的料筐中，隨同工件一起入爐，進(jìn)行硬氮化或軟氮化處理，處理工藝參數(shù)與常規(guī)工藝基本相同，當(dāng)工件溫度達(dá)到500℃左右，由包裝盒中揮發(fā)出來(lái)的稀土即可對(duì)硬氮化或軟氮化過程起催滲作用，即加快N原子或N、C原子的滲入和擴(kuò)散速度。達(dá)到縮短工藝周期，改善組織和性能的目的。裸露的與包覆的相比前者不如后者好。這種方法簡(jiǎn)單適用。
2．機(jī)械化自動(dòng)加料法主要特點(diǎn)是將擠壓法制造的粒狀固體稀土催滲劑，用一種專門設(shè)計(jì)的上料機(jī)構(gòu)按硬氮化或軟氮化的工藝過程自動(dòng)往爐內(nèi)添加稀土催滲劑。添加的量與工藝過程有關(guān)，初期的量多，中期較少，末期更少。具體方法可引用《連續(xù)式可控氣氛滲碳爐稀土催滲劑加入裝置》專利發(fā)明中提出的固體稀土催滲劑加入裝置或類似的原理和機(jī)構(gòu)。如

圖1所示為一種固體稀土催滲劑上料機(jī)構(gòu)的示意圖，它是由儲(chǔ)料箱3，鏈斗式取料機(jī)的鏈條1、取料斗2、主驅(qū)動(dòng)鏈輪4、滑道5、密閉式啟閉閘門6和7，連接法蘭8及與爐內(nèi)相通的密閉管道9等組成。核心部份為鏈斗式取料機(jī)及密閉式啟閉閘閥。主驅(qū)動(dòng)鏈輪每旋轉(zhuǎn)一周，鏈條1上的取料斗2可從儲(chǔ)料箱3中取出一粒稀土催滲劑。啟閉閘閥6和7交替開閉，以保證爐內(nèi)的氣壓和氣氛在稀土掉入爐內(nèi)時(shí)不發(fā)生任何變化。通過微機(jī)稀土硬氮化及稀土軟氮化的工藝軟件，就可自動(dòng)控制鏈斗式取料機(jī)的主驅(qū)動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)的頻率，從而達(dá)到按工藝程序添加稀土的目的。上料機(jī)構(gòu)的工作程序如下鏈輪每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)鏈條上的取料斗自儲(chǔ)料箱中取出一粒稀土催滲劑，取料斗轉(zhuǎn)到鏈輪頂端后即將稀土顆粒倒入滑道5，并滑至啟閉閘閥6的上面，閘閥7閉上6才能打開，稀土顆粒進(jìn)入閘閥7的上面，將閘閥6關(guān)閉，再打開閘閥7，稀土顆粒通過連接法蘭8及與爐內(nèi)相通的密閉管道9掉入滲氮爐10內(nèi)對(duì)硬氮化或軟氮化過程起催滲作用。這種上料機(jī)構(gòu)種類繁多，諸如齒斗式取料機(jī)、篩孔式取料機(jī)、電磁振動(dòng)式上料機(jī)等，均具有相似的取料送料功能，但它們都必須與兩個(gè)啟閉動(dòng)作交替開閉的閘閥相配合，才能完成往爐內(nèi)掉入稀土催滲劑的全過程。圖1的上料機(jī)構(gòu)可用于可控氣氛密閉式箱式氮化爐及可控氣氛連續(xù)式氣體滲氮爐。
二、液體稀土催滲劑液體稀土催滲劑只有唯一的一種即滴注式的應(yīng)用方法，主要特點(diǎn)是如前面氨述按比例將稀土溶入含有N、C之類的有機(jī)化合物如甲酰胺、三乙醇胺、甲醇或乙醇等中，配制成稀土催滲劑，把它裝入桶內(nèi)置于高出爐子2～3米高的墻上，用細(xì)管通過調(diào)節(jié)針閥，流量計(jì)及電磁閥等與爐子上滴注器相聯(lián)，通過滴注器將滲劑滴入爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)稀土硬氮化及軟氮化。具體方法可引用發(fā)明人的專利技術(shù)《一種可控氣氛采用稀土滲碳爐》及《滴注式稀土滲碳微機(jī)控制裝置》中提出的滴注裝置和控制系統(tǒng)，以及其它相似的滴注方式均可用于滴注式稀土硬氮化及軟氮化。圖2就是為可控氣氛多用稀土滲氮爐滴注式氣體軟氮化而設(shè)計(jì)的滴注系統(tǒng)。輸液管路分兩路，其上器件設(shè)置完全相同，其中一路為輸送甲醇作為爐內(nèi)排氣用，另一路則為液體稀土催滲劑用于氣體軟氮化。該滴注系統(tǒng)管路上器件的功能為手動(dòng)截止閥11系管路的總開關(guān)，工作時(shí)用人工打開，不工作時(shí)閉死，起安全作用；電磁閥12是靠微機(jī)的指令來(lái)啟閉的，通過啟閉的時(shí)間和頻率即可控制滴入爐內(nèi)液體稀土催滲劑的數(shù)量；流量計(jì)13可以直觀地讀出流入爐內(nèi)滲劑的數(shù)量；滴注器由組件滴注頭15、密封墊16、夾壁或水冷管18、冷卻水入水管17及出水管14等組成，安裝時(shí)將滲氮爐爐項(xiàng)鉆孔，通入爐內(nèi)把夾壁式水冷管臥入孔中，并用螺釘固定在爐頂上，通過滴注頭15上的φ5mm滴注孔把液體滲劑垂直滴入爐內(nèi)；輸液管道19及20分別與儲(chǔ)液箱連接，兩個(gè)儲(chǔ)液箱置于高于滲氮爐水平面2～3米高度的墻上，儲(chǔ)液箱中的液體靠液面壓差自動(dòng)往爐內(nèi)流動(dòng)，兩個(gè)儲(chǔ)液箱中1個(gè)儲(chǔ)甲醇供滲氨爐排氣用，通過管道19達(dá)到滴注頭15，另一個(gè)則儲(chǔ)存稀土滲劑通過管道20達(dá)到滴注頭15，最后通過滴注頭15的滴注孔滴入滲氮爐內(nèi)進(jìn)行軟氮化處理。電磁閥12開啟的時(shí)間和頻率是由稀土軟氮化工藝計(jì)算機(jī)軟件來(lái)控制的，從而實(shí)現(xiàn)滴注系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制軟氮化工藝過程的目的。
本發(fā)明可達(dá)到節(jié)約能源，縮短工藝周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量的綜合經(jīng)濟(jì)效益的目的。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所用的裝置。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2所用的裝置。
實(shí)施例1為H13鋼制鋁合金型材熱擠壓模具，原工藝采用滴注式，滲劑為甲酰胺加尿素，設(shè)備為井式氣體滲氮爐，工藝參數(shù)580℃×4h進(jìn)行軟氮化處理，處理結(jié)果滲層深度0．06～0．08mm，白亮層1～2μ，表面硬度HV5kg800～900；改用稀土軟氮化處理，即在原滲劑甲酰胺加尿素中外加調(diào)制的復(fù)合稀土催滲劑，處理工藝參數(shù)完全相同，處理結(jié)果層深為0．10～0．12mm，白亮層3～5μ，表面硬度HV5kg1000～1100，各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)高于原工藝。擠壓同樣規(guī)格的鋁合金門窗型材，使用壽命與原工藝相比提高了1～2倍。
實(shí)施例2為塑料機(jī)械送料筒和送料螺桿，材料為38GrMoAl，技術(shù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為表面硬度HV10kg800～950，層深0．4～0．5mm，表面脆性1～2級(jí)。處理設(shè)備為井式氣體滲氮爐，介質(zhì)為100％氨氣，出口壓力為1．0kg／cm2，工藝參數(shù)為520℃×40h，處理結(jié)果層深0．42～0．46mm，表層硬度HV10kg900～950，表面脆性1～2級(jí)。改用固體包裝法進(jìn)行硬氮化處理，固體稀土催滲劑顆粒尺寸為φ15×25mm園柱體，把它裝入φ50×80mm鋼箔園筒的中心，周圍用硅酸鉆纖維包覆，使其緩慢加熱，然后把盒子與工件一起放入爐內(nèi)，工藝參數(shù)及操作，除將純滲氮時(shí)間改為20h外，余均不變。處理結(jié)果層深0．43～0．46mm表面，硬度HV10kg1000～1100，脆性1～2級(jí)。與原工藝相比，純滲氮時(shí)間由40h縮短至20h，層深相似，表面硬度則提高了HV50～200，脆性也是1～2級(jí)，催滲效果十分顯著。
權(quán)利要求
1．一種稀土在氣體滲氮及氮碳共滲工藝中的應(yīng)用方法，其特征在于當(dāng)采用固體稀土催滲劑進(jìn)行氣體滲氮(硬氮化)或氮碳共滲(軟氮化)處理時(shí)可采用(1)固體包裝法將預(yù)先調(diào)制成顆粒狀的稀土催滲劑，裸露或用硅酸鋁纖維氈(或沙子)包覆，放在一個(gè)金屬盒子內(nèi)，隨同工件一起進(jìn)入爐內(nèi)，在常規(guī)的硬氮化或軟氮化過程起催滲作用，(2)機(jī)械化自動(dòng)加料法①固體稀土催滲劑預(yù)先制造成尺寸和重量完全相同的堅(jiān)固的顆粒狀；②設(shè)計(jì)一種如圖1所示顆粒狀上料機(jī)，自動(dòng)地將顆粒狀稀土催滲劑自儲(chǔ)料箱取出送入滲氮爐內(nèi)，在硬氮化或軟氮化過程中起催滲作用。上料機(jī)構(gòu)構(gòu)的核心是鏈斗式或其它形式的取料機(jī)構(gòu)，主驅(qū)動(dòng)鏈輪每旋轉(zhuǎn)一周取出一顆(或幾顆)稀土催滲劑，與之配合的是管路中兩個(gè)交替啟閉的閘閥，保證稀土顆粒進(jìn)入爐內(nèi)的過程中不破壞爐內(nèi)的壓力和氣氛，③上料機(jī)構(gòu)的主驅(qū)動(dòng)輪每旋轉(zhuǎn)一周取送一顆稀土催滲劑，用微機(jī)控制主驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)稀土硬氮化及稀土軟氮化工藝過程中自動(dòng)控制稀土的加入量。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用方法，其特征在于當(dāng)采用液體稀土催滲劑進(jìn)行滲氮或氮碳共滲處理時(shí)只宜采用滴注式加入稀土的方法，①將復(fù)合稀土催滲劑溶入甲酰胺、三乙醇胺、甲醇、乙醇等有機(jī)液體中，②手用針閥、流量計(jì)、電磁閥、滴注器及儲(chǔ)液箱等組成液體滲劑的滴注系統(tǒng)，
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用方法，其特征在于可用人工或微機(jī)對(duì)滴注液的滴注量進(jìn)行人工或自動(dòng)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提出了氣體硬氮化及氣體軟氮化工藝中應(yīng)用稀土催滲劑的三種方法,即固體包裝法、機(jī)械化自動(dòng)加料法及液體滴注法。加入稀土催滲劑可將硬氮化純滲入時(shí)間縮短50～100%,軟氮化縮短30～50%;表面硬度相對(duì)提高HV50～200,耐磨性,抗腐蝕能力,金相組織和脆性均有不同程度改善,可使模具和零件壽命提高1～2倍。
文檔編號(hào)C23C8/30GK1206051SQ9711443
公開日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1997年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月18日
發(fā)明者劉志儒, 閻牧夫, 朱法義 申請(qǐng)人:劉志儒, 閻牧夫, 朱法義