專利名稱：一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮及滲碳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮及滲碳方法。
背景技術(shù)：
滲氮是將鋼件置于含氮的活性介質(zhì)中，在一定的溫度下，使氮原子滲入鋼件表面，從而形成一層以氮化物為主的滲層組織以提高滲層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度等多種性能的化學(xué)熱處理工藝。滲氮時，需要向滲氮爐中提供熱量以獲得滲劑中的活性氮原子和加大金屬晶體原子的振動幅度以求為氮原子提供空間和相應(yīng)的擴散速度滲氮工藝主要有以下優(yōu)點1.處理溫度低。普通滲氮一般在480°C—580°C，滲氮后不需再進行淬火強化和進一步加工就可使用。2.表面形成氮化物相，滲層硬度高、耐磨性好；抗咬合性、疲勞性能和耐腐蝕性也相當好。但是，傳統(tǒng)的滲氮工藝也有其致命的不足之處，即由于滲氮溫度低，因而滲氮速度慢，工藝周期相當長，一般需要幾十小時或近百小時，所以滲氮是一種費時、費電、成本很高、效率很低的化學(xué)熱處理工藝。由此，極大抵消了滲氮工藝的優(yōu)點，長期而嚴重的阻礙著該項技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，如何縮短滲氮時間，提高擴散速度就成了該工藝發(fā)展過程中的長期命題。顯而易見，為了獲得介質(zhì)中的活性氮原子和其在金屬中的擴散速度以及為了加大金屬晶體原子的振動幅度，在傳統(tǒng)滲氮所提供的能量中，一部分熱量被用來加熱了體積占比為98%以上的金屬零件滲氮層以外的金屬體積；另一部分熱量被用來加熱整個爐膛而被環(huán)境散失掉了。這兩部分熱量加起來可達輸入總熱量的95%以上，真正用到體積占比不到3%的滲氮層上的有效熱量是很少的。這表明，在傳統(tǒng)滲氮工藝中，為了獲得不到5%的效果，卻長期投入著100%的代價。這就是為什么傳統(tǒng)滲氮工藝周期長、效率低、耗能高和成本高的原因所在。`在專利(CN200710024664.1)公開了一種脈沖增壓氣體滲氮爐，其主要由馬夫罐體、外加熱爐殼、雙層水冷爐蓋、抽真空系統(tǒng)和脈沖沖氣系統(tǒng)，當升溫到滲氮溫度時，通過沖氨加壓來進行滲氮，可根據(jù)零件滲層的要求確定脈沖的次數(shù)和時間，從而來提高滲氮的質(zhì)量縮短滲氮時間。該專利主要是通過脈沖來改變氮的壓力，進而來實現(xiàn)滲氮。滲碳是將低碳鋼零件,在滲碳介質(zhì)(滲碳劑)中加熱到900°C -950°C,使碳原子滲入其表面層，獲得高碳滲層，再進行淬火并低溫回火，在零件心部得到高韌性的條件下，獲得高硬度馬氏體表面層，從而提高零件的疲勞強度和耐磨性的一種古老的化學(xué)熱處理工藝。滲碳具有極高的工業(yè)意義和價值。經(jīng)過滲碳后的低碳鋼零件，其心部仍然保持低碳鋼的成分、組織結(jié)構(gòu)，因而仍然保持著良好的塑性，較高的韌性和耐沖擊性能；而表層獲得了高碳鋼的成分和組織結(jié)構(gòu)，因而具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強度。這種在一個單體零件上具有雙重成分、組織結(jié)構(gòu)進而具有雙重機械性能的特性，極大地滿足了機械零件的工程需要。滲碳是碳原子在固體零件表面吸附并且向其內(nèi)部擴散的過程，因而是一個漫長和艱難的過程。為此，需要向滲碳爐內(nèi)輸入大量熱量用以加熱爐膛和零件整體，而滲碳只發(fā)生在表層O. 0-2. Omm處，因此，傳統(tǒng)滲碳方式90%以上的能量是無效的，被浪費掉了。只有不到10%的能量用于滲碳過程。傳統(tǒng)滲碳的物理機制是，將零件加熱到900°C—950°C高溫用來增加鋼鐵晶體原子的振動幅度以增加相鄰鐵原子的距離為碳原子的進入提供空間。顯然，這是一個異常艱難的過程，因此，傳統(tǒng)滲碳是一個周期長，成本高，消耗巨大的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，由材料科學(xué)基礎(chǔ)和金屬學(xué)的基本原理可知金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)在受到外力作用時將發(fā)生扭曲和變形，其內(nèi)部將產(chǎn)生大量晶體缺陷并對外部質(zhì)點形成吸引力，同時，這些晶體缺陷本身就是碳、氮原子的擴散通道。這將是快速、低溫滲氮滲碳所需的重要環(huán)境，基于上述原理，本發(fā)明提供了一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮及滲碳方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮方法，包括以下步驟(I)滲氮前，首先用汽油、酒精或丙酮將待處理零件(以齒輪為例)表面的污垢清洗干凈;(2)將清洗干凈的零件安裝到擠壓裝置內(nèi)，使零件處于擠壓嚙合狀態(tài)；(3)根據(jù)零件服役條件不同，熱氣流發(fā)生器將滲氮劑加熱至300V -500V向零件表面噴射熱氣流，并將零件周圍的空氣排除干凈；

(4)開啟擠壓裝置動力機構(gòu)，使零件產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間O. 5-4小時；一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲碳方法，包括以下步驟(I)滲碳前，首先用汽油、酒精或丙酮將零件表面的污垢清洗干凈；(2)將零件安裝在擠壓裝置中，使零件處于擠壓嚙合狀態(tài)；(3)根據(jù)零件服役條件不同，向熱氣流發(fā)生器以50-200滴/ min的速度滴注滲碳齊U，熱氣流發(fā)生器將滲碳劑加熱至700°c -800°C向零件表面噴射熱氣流，并將零件周圍的空氣排除干凈；(4)開啟擠壓裝置動力機構(gòu)，使零件產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間O. 5-4小時。所述的擠壓裝置包括一個密封箱，在密封箱內(nèi)設(shè)有兩個旋轉(zhuǎn)軸，在所述的密封箱外設(shè)有一個與密封箱相通的熱氣流發(fā)生器，在所述的熱氣流發(fā)生器上設(shè)有一個與其相通的滲氮或滲碳裝置，且密封箱上還設(shè)有一個排氣孔。所述的兩個旋轉(zhuǎn)軸中其中一個旋轉(zhuǎn)軸由電機驅(qū)動。所述的滲氮或滲碳裝置為一個盛有滲氮介質(zhì)或滲碳介質(zhì)的容器。所述的熱氣流發(fā)生器伸入密封箱內(nèi)的頭部設(shè)有噴嘴。當滲氮時，氨分解率控制在15% — 45%之間；根據(jù)零件服役條件的不同，滲層深度控制在O.1Omm—1，5_之間；控制滲層組織為極為細小的索氏體+氮化物，不能出現(xiàn)ε氮化物。當滲碳時，零件表層碳勢控制零件表層碳勢控制在O. 7% -1. 2%，用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/ min的辦法控制。
滲碳時間的控制根據(jù)零件服役條件的不同，時間控制在O. 5-4小時。滲層厚度的控制根據(jù)零件服役條件的不同，滲層厚度可控制在O. 5 — 3mm。滲層殘余奧氏體量控制在O—5%之間。二次碳化物析出量控制在O—4%之間，且顆粒細小分布均勻；最終零件的表層可獲得晶粒極為細小的隱晶馬氏體。本發(fā)明的有益效果是1.傳統(tǒng)滲氮、滲碳時，其原子在零件表面的吸收和擴散完全是一個被動過程，金屬表面晶體原子只是通過增大振幅被動接受碳、氮原子，零件表層缺乏對碳、氮原子的吸引力，也沒有可供碳、氮原子擴散的通道。而擠壓金屬表面時，由于晶體缺陷應(yīng)力場的吸引作用，金屬表面將產(chǎn)生吸引力，主動吸入碳、氮原子并提供通道使其快速擴散。2.傳統(tǒng)滲氮及滲碳 的加熱方式是對爐膛和零件整體加熱，這其中95%是無效熱量，被浪費掉了。通過熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮及滲碳方式可以將所需能量精準輸入到滲層部位，而滲層以外的其他部位不再消耗能量，這將大幅度降低能耗，節(jié)能減排。3.本發(fā)明將會使?jié)B氮溫度降低至300 V -500 V (傳統(tǒng)滲氮溫度需要5000C -650°C)，使?jié)B碳溫度降低至700°C -800°C (傳統(tǒng)滲碳溫度需要900°C -950°C)，縮短時間50% -80%，降低能耗80%，大幅度提高零件精度，使零件變形量大幅降低，產(chǎn)品合格率將達98%以上。4.本發(fā)明實現(xiàn)了靶向、精確向零件表面提供能量和可控制造零件表層晶體缺陷的目的。從而使?jié)B碳過程由傳統(tǒng)碳原子的被動滲入過程變?yōu)橹鲃訚B入過程。實現(xiàn)了低能量、低溫快速滲碳。降低了滲碳溫度，大幅縮短了滲碳時間，大幅減少了滲碳變形，大幅提高了零件的精度，延長了爐子的壽命，大幅降低了滲碳成本。本發(fā)明所采用的方法可以使零件表面主動吸引氮原子滲入表層并為氮原子的擴散提供大量通道，從而使?jié)B氮過程由零件對氮原子的被動滲入變?yōu)橹鲃游氲?。由于提供了表層熱氣流噴射和擠壓這種能量供給方式，從而實現(xiàn)了僅對滲層(O. Omm-2. Omm)區(qū)域提供能量的設(shè)想，使得能量供給具有很強的靶向性和精準性。從而大幅提高了能量的利用率，大幅降低了能量的損耗、大幅提高了滲氮效率，大幅降低因滲氮變形對零件精度的破壞，可使廢品率降低為零，大幅度提高滲氮質(zhì)量和爐子的使用壽命，可導(dǎo)致滲氮工藝得以大范圍應(yīng)用并由此進入實用化階段。由于本發(fā)明采用的是擠壓的實現(xiàn)方式，因此僅適用形狀對稱的零部件(軸、齒輪等)；而傳統(tǒng)滲碳、滲氮對任何形狀的零件都適用。另外，對帶有內(nèi)孔的零件，也無法實現(xiàn)對內(nèi)孔的滲碳、滲氮。滲碳時，本發(fā)明使?jié)B碳過程由傳統(tǒng)碳原子的被動滲入過程變?yōu)橹鲃訚B入過程。實現(xiàn)了低能量、低溫快速滲碳。降低了滲碳溫度，大幅縮短了滲碳時間，大幅減少了滲碳變形，大幅提高了零件的精度，廢品率降低為零，延長了爐子的壽命，大幅降低了滲碳成本。


圖1滲氮裝置示意圖。圖2滲碳裝置示意中I第一齒輪，2第二齒輪，3滲氮裝置，4噴嘴，5熱氣流發(fā)生器，6電動機，7流量調(diào)節(jié)閥，8第一旋轉(zhuǎn)軸，9第二旋轉(zhuǎn)軸，10密封箱，11排氣孔，12滲碳裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖以及技術(shù)方案，以齒輪加工為例，對本發(fā)明進行詳細說明由材料科學(xué)和金屬學(xué)的基本原理可知通過擠壓，使金屬材料的晶體點陣發(fā)生變形，使其晶體內(nèi)部生成大量空位、間隙、原子疏松區(qū)、位錯、位錯壘以及亞晶界等晶體缺陷，這些晶體缺陷不僅是氮原子進入滲層的通道，并且這些缺陷周圍也將產(chǎn)生引力場對氮原子形成吸引作用。這將是低溫、快速滲氮或滲碳所需的重要環(huán)境。本發(fā)明根據(jù)上述原理，如圖1圖2所示，提供了一種擠壓裝置，其包括一個密封箱10,在密封箱10內(nèi)設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)軸8和第二旋轉(zhuǎn)軸9,且第一旋轉(zhuǎn)軸8由電機6驅(qū)動,第一旋轉(zhuǎn)軸8安裝有第二齒輪2，第二齒輪2帶動第一齒輪1旋轉(zhuǎn)，在密封箱10外設(shè)有一個與密封箱10相通的熱氣流發(fā)生器5，與熱氣流發(fā)生器5相通的設(shè)有一個滲氮裝置3或滲碳裝置12。且密封箱10上還設(shè)有一個排氣孔11，所述的滲氮裝置3為一個盛有滲氮介質(zhì)的容器，所述的滲碳裝置12為一個盛有滲碳介質(zhì)的容器。所述的熱氣流發(fā)生器5伸入密封箱10內(nèi)的頭部設(shè)有噴嘴4。該裝置可將熱量精確噴射到被處理齒輪的表層并使表層相互擠壓，使齒輪表面產(chǎn)生晶體缺陷，這些晶體缺陷本身就是氮原子和碳原子的擴散通道，并且，這些缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)力場對氮原子和碳原子產(chǎn)生吸引力為氮原子和碳原子吸附和擴散提供微觀力學(xué)支持，降低激活能和滲入阻力，從而大幅提高滲氮、滲碳的速度和降低滲氮、滲碳的溫度。本發(fā)明的滲氮方法，包括步驟如下(1)滲氮前，首先用汽油、酒精或丙酮將待處理齒輪表面的污垢清洗干凈；(2)將清洗干凈的齒輪安裝到擠壓滲氮裝置內(nèi)，使齒輪處于擠壓嚙合狀態(tài)；(3)根據(jù)齒輪服役條件不同，熱氣流發(fā)生器將滲氮劑加熱至300°C—500°C向齒輪表面噴射熱氣流，同時將零件周圍的空氣排除干凈；(4)開啟擠壓滲氮裝置動力機構(gòu)，使齒輪產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間0. 5—4小時；滲后冷卻方式根據(jù)齒輪精度要求不同，高精密齒輪要隨爐冷至200°C后出爐空冷即可，一般齒輪滲后即可空冷。所述的步驟(4)在齒輪擠壓嚙合過程中，氨分解率控制在15% — 45%之間；根據(jù)齒輪服役條件的不同，滲層深度控制在0.1OmmI, 5mm之間，由滲氮的時間和氨的分解率決定；最后控制滲層組織為極為細小的索氏體+氮化物，不能出現(xiàn)ε氮化物。本發(fā)明的滲碳方法，包括以下步驟(I)滲碳前，首先用汽油、酒精或丙酮將齒輪表面的污垢清洗干凈；(2)將齒輪安裝在擠壓裝置中，使齒輪處于擠壓嚙合狀態(tài)；(3)根據(jù)齒輪服役條件不同，向熱氣流發(fā)生器以50— 200滴/ min的速度滴注滲碳劑，并向齒輪表面噴射700°C—800°C熱氣流，將零件周圍的空氣排除干凈；(4)開啟擠壓裝置動力機構(gòu)，使齒輪產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間0. 5-4小時。當滲碳時，齒輪表層碳勢控制齒輪表層碳勢控制在0. 7% -1. 2%，用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/ min的辦法控制；滲碳時間的控制根據(jù)齒輪服役條件的不同，時間控制在O. 5-4小時
滲層厚度的控制根據(jù)齒輪服役條件的不同，滲層厚度可控制在O. 5-3mm。由滲碳時間決定。滲層殘余奧氏體量控制在0-5%之間，由碳勢和滲碳時間決定。二次碳化物析出量控制在0-4%之間，且顆粒細小分布均勻，最終齒輪的表層可獲得晶粒極為細小的隱晶馬氏體。
權(quán)利要求
1.一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮方法，其特征在于，包括以下步驟(1)滲氮前，首先用汽油、酒精或丙酮將待處理零件表面的污垢清洗干凈；(2)將清洗干凈的零件安裝到擠壓滲氮裝置內(nèi)，使零件處于擠壓嚙合狀態(tài)；(3)根據(jù)零件服役條件不同，熱氣流發(fā)生器將滲氮劑加熱至300°C—500°C向零件表面噴射熱氣流，同時將零件周圍的空氣排除干凈；(4)開啟擠壓滲氮裝置動力機構(gòu)，使零件產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間O.5—4小時。
2.一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲碳方法，其特征在于，包括以下步驟(1)滲碳前，首先用汽油、酒精或丙酮將零件表面的污垢清洗干凈；(2)將零件安裝在擠壓滲碳裝置中，使零件處于擠壓嚙合狀態(tài)；(3)根據(jù)零件服役條件不同，以50—200滴/ min的速度向熱氣流發(fā)生器滴注滲碳劑， 將滲碳劑加熱至700°C — 800°C，向零件表面噴射熱氣流，同時，將零件周圍的空氣排除干凈;(4)開啟擠壓滲碳裝置動力機構(gòu)，使零件產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間O.5—4小時。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮方法，其特征在于步驟(2)所述的擠壓裝置包括一個密封箱，在密封箱內(nèi)設(shè)有兩個旋轉(zhuǎn)軸，在所述的密封箱外設(shè)有一個與密封箱相通的熱氣流發(fā)生器，在所述的熱氣流發(fā)生器上設(shè)有一個與其相通的滲氮或滲碳裝置，且密封箱上還設(shè)有一個排氣孔。
4.如權(quán)利要求3所述的一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮方法，其特征在于所述的兩個旋轉(zhuǎn)軸中其中一個旋轉(zhuǎn)軸由電機驅(qū)動。
5.如權(quán)利要求3所述的一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮方法，其特征在于所述的滲氮或滲碳裝置為一個盛有滲氮介質(zhì)或滲碳介質(zhì)的容器。
6.如權(quán)利要求3所述的一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮方法，其特征在于所述的熱氣流發(fā)生器伸入密封箱內(nèi)的頭部設(shè)有噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了一種熱氣流噴射加熱與擠壓滲氮及滲碳方法，包括如下步驟，步驟(1)首先用汽油、酒精或丙酮將待處理零件表面的污垢清洗干凈；步驟(2)將清洗干凈的零件安裝到零件箱內(nèi)，使待處理零件處于擠壓嚙合狀態(tài)；步驟(3)將零件箱加熱至300℃—500℃，升溫的同時通入無水氨氣將零件箱內(nèi)的空氣排除干凈；步驟(4)開啟零件箱動力機構(gòu)，使零件產(chǎn)生擠壓嚙合運動，持續(xù)時間1—4小時；本發(fā)明大幅提高了能量的利用率，大幅降低了能量的損耗、大幅提高了效率，大幅降低因變形對零件精度的破壞，可使廢品率降低為零，大幅度提高質(zhì)量和爐子的使用壽命，可導(dǎo)致滲氮和滲碳工藝得以大范圍應(yīng)用并由此進入實用化階段。
文檔編號C23C8/24GK103045989SQ20131002854
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者崔建軍, 萬桂怡, 崔瀟 申請人:山東大學(xué)