[发明专利]一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术，具体为一种利用氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法，适用于低碳钢、低合金钢、不锈钢等表面的高强耐蚀化处理。

背景技术

常用表面的增氮方法有气体渗氮和离子渗氮。

气体渗氮可采用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段、三段)渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间，氨气分解率为15～30％，保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。

离子渗氮是利用辉光放电原理进行的。与一般的气体渗氮相比，离子渗氮其特点是：①可适当缩短渗氮周期；②渗氮层脆性小；③可节约能源和氨的消耗量；④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮；⑥渗层厚度和组织可以控制。但是其设备控制复杂，炉温的均匀性不好。

综上可知，常用的这两种渗氮方法，渗氮前需要预备热处理调质和预备热处理去应力处理，同时渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um等等限制。渗氮处理工艺的周期长、渗氮层薄、温度控制要求严、对零件的表面预处理要求严格、设备控制复杂。两种气体渗氮方法都需要在密闭的环境中进行，且耗时长，渗氮层薄、增氮量低、增氮层成分不可调。

其他表面处理技术，如传统热喷涂、喷焊以及堆焊也可用于材料表面的增氮处理。表面热喷涂增氮法属于氮化物陶瓷喷涂技术，并不是冶金结合，同时热喷涂法对基材表面的预处理要求比较高，需要进行粗化处理，且对喷涂粉的颗粒直径要求比较高。传统的喷焊技术可以使粉末或焊丝，能够与母材形成冶金结合，但是喷焊层的稀释率高，一般约5％～10％，且需要预热处理，喷焊材料的熔点要求比基体熔点低，同时，在喷焊过程中，喷焊的高氮层的成分不可调。堆焊一般用焊丝，堆焊层成分只能是焊丝成分，堆焊层成分不可设计，即用堆焊方法对钢表面进行增氮处理，所获得的增氮层的成分不可设计。

中国专利(201310398151.2)公开了一种使用高速氧燃料热喷涂和等离子渗氮用于模具补整和修复的方法及系统。所获得的增氮层成分不可设计、厚度薄，且对合金粉末颗粒直径要求严格。中国专利(201110309131.4)涉及一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺。将调制的浆料涂覆在零件表面烘干后，用氮弧熔敷，浆料中不含氮元素，仅靠氮弧增氮效果不明显，且烘干需要时间，若没有完全烘干可能会引起氢致裂纹。而本发明直接将氮化物合金粉末铺设在待处理的钢表面上，采用氮弧原位冶金，不需要增加烘干工艺，且采用了氮化物和氮弧联合增氮技术，增氮效果明显且耗时短。中国专利(201310650075.X)公开了一种用等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法，具体为通过真空净化充高压氮气条件用等离子弧加氮熔炼钢坯，而本发明不需要加真空，且增氮量远远超过用等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法及其装置，

本发明一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法及其装置的技术方案为：

一种氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法，其包括步骤如下：

步骤1，通过目标高氮钢层的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％；选择低碳钢作为母材；

根据高氮钢层的目标合金成分，确定所需的作为铺粉原料的合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)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μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；

步骤2，根据目标高氮钢层中除铁元素之外的合金元素i的含量Wi％与铁元素含量的关系式得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β；确定单位面积上合金粉末质量m_合金粉末与单位面积上熔入熔池的钢母材质量m_铁基材比为α:β；