[其他]深层可控离子渗氮法

说明书

这是属于辉光离子渗氮化学热处理领域的发明。

众所众知，合金结构钢另件，经过渗氮处理，可以提高疲劳性能，并且增加渗氮层深度，对提高疲劳性能有明显效果，这对承受较高负荷的传动件，提高耐用性具有良好的作用。

在100%氨气气氛中对钢制另件进行辉光离子渗氮，通常在工业上获得广泛应用的渗氮层深度为0.3-0.5mm，另件表面相成分不能控制，易产生脆性化合物层。如果改变渗氮工艺参数，以求加厚渗层深度，则伴随着渗氮层深度的增加，表面脆性化合物的比例也会相应增加，扩散层中的脉网状氮化物也趋于严重，使得钢件在使用过程中表面产生剥落失效的危险加大，以致使某些高负荷另件渗氮后，需磨去表面脆性化合物层才能使用，这势必增加另件的制造成本与工时。

改用N₂+H₂混合气作渗氮气源，虽能控制钢件表面相成分，抑制脆性化合物，但渗氮层浅，工业上广泛应用受到限制。

本发明的目的是：在辉光离子渗氮过程中，使用含氮5-50%的N₂+H₂混合气。经三段渗氮，使钢件获得0.7～1.0mm的渗氮层;钢件表面相成分可以控制，得到γ′单相化合物层或无化合物的纯扩散层。

本发明使用的钢材是含有一种或几种的Cr、Mo、V、W、Ni、Al合金元素的合金结构钢。上述钢制另件经调质予处理，获得所要求的基体硬度和金相组织，然后在辉光离子渗氮炉内进行三段渗氮。第一段渗氮温度450～550℃;第二段渗氮温度550～650℃;第三段渗氮温度450～550℃。渗氮气氛为含氮5-50%的N₂+H₂混合气，渗氮保温时间45-65小时。

本发明使用的钢材经相应温度淬火和回火后，基体中含有一定浓度的合金元素，可以改善渗氮性能，使钢件渗氮后得到所需要的表面硬度和沿断面分布的硬度梯度。但回火温度必须比渗氮温度高30-40℃，以保证钢件在长时间渗氮过程中仍然保持原有的基体硬度。

本发明所使用的氮气和氢气均经干燥、净化处理，以去除水分和杂质，防止钢件表面产生氧化脱碳等缺陷。为了加快氮原子被金属表面吸收，本发明采用H₂气加热升温，以促进另件表面活化。

本发明是通过下列步骤实施的，其工艺曲线见图1。

将清洗干净的钢件置于辉光离子渗氮炉中，以炉体为阳极，工件为阴极，送直流电起辉，并通入H₂气升温。在350-400℃均温1-2小时，再升温至450-550℃，关掉H₂气，改用含氮5-50%的N₂+H₂混合气。保温若干小时完成第一段渗氮。继续升温，在550-650℃保温并调整气氛比例，完成第二段渗氮。然后降温在450-550℃保温，并调整气氛比例，完成第三段渗氮，最后炉冷，完成渗氮的全部工艺流程，在三段渗氮中，据钢材的化学成分和渗氮阶段的实际温度，调整混合气的比例，当含氮值在5-50%范围内变化时，最终渗氮结果，钢件表面相成分可据需要控制，获得γ′单相化合物层或无化合物的纯扩散层。经过45-65小时的保温，钢件渗氮层深度为0.7-1.0mm。

本发明操作简便，工艺稳定，另件变形小。比气体渗氮可缩短周期30-40%。由于得到0.7～1.0mm的表面为γ′单相化合物或无化合物的纯扩散层，使钢件疲劳性能显著提高，为高精度高负荷抗疲劳的传动件提供了有效的表面硬化工艺。

实例：

25Cr₂MoVA钢制轴齿轮，M_n＝6，齿数20，α＝20°，β＝9.22′，齿面接触应力为811N/mm²。经940℃加热淬火，620℃回火，基体硬度HB320-340，金相组织为索氏体。经清洗干净后，在LD-100KW辉光离子渗氮炉中通入H₂气升温。在400℃均温1小时，继续升温至500-550℃，关掉H₂气，通入含氮5-15%的N₂+H₂混合气保温，完成第一段渗氮。然后在550-600℃保温，并调整混合气的含氮值为15-30%，完成第二段渗氮。最后在500-550℃保温，并调整混合气的含氮值为5-15%，完成第三段渗氮。全程经过55小时保温后，炉冷至200℃以下出炉。渗氮结果详见图2和图3。由此可以说明本发明的效果。

附图说明：