一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法
【專利摘要】一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法，它涉及一種縮短鋼氣體氮化工藝時間的方法。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有合金結(jié)構(gòu)鋼的氮化工藝存在氮化時間長，造成生產(chǎn)效率低的問題。方法：一、將催滲劑/砂子混合物裝入鐵桶中；二、將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和裝有催滲劑/砂子混合物的鐵桶置于氮化罐中，將爐蓋封好，通入氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90％，再均勻加熱至氮化罐溫度為530℃～540℃，再在氨分解率為20％～35％和溫度為530℃～540℃下保溫20h，再隨爐自然冷卻至溫度低于150℃，可出爐，得到氮化層深度為≥0.3mm的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件。本發(fā)明可獲得一種合金結(jié)構(gòu)鋼氮化工藝的方法。
【專利說明】一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種縮短鋼氣體氮化工藝時間的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮化屬于化學(xué)熱處理。向金屬表面滲入氮元素的工藝稱為滲氮，也叫氮化。氮化 能提高金屬表面硬度（可達(dá)HV900?1200,相當(dāng)于HRc65?72)、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗腐 蝕等性能。還有氮化溫度低變形小等優(yōu)點。常用溫度為500?600°C.氮化的缺點是滲層 淺，工藝時間長。滲氮層深度在0.15?0.75_之間，氮化時間在10?100小時。這么長 的工藝時間必然造成生產(chǎn)效率低耗能量大。所以加快滲氮速度、縮短工藝時間多年來一直 是熱處理研究的重要方向之一。
[0003] 工件的滲氮在密封罐中進(jìn)行，通常工件入爐是指將工件裝入氮化罐。氮化時氨氣 流入流出，爐中發(fā)生：2NH# 3H2+N2化學(xué)變化。爐中氨氣部分分解，產(chǎn)生的活性氮原子部分 滲入鋼中。滲氮的工件其材料若是不銹鋼、耐熱鋼，其表面有一層致密的鈍化膜能阻礙氮原 子的滲入。因此去除鈍化膜是不銹鋼、耐熱鋼滲氮前必不可少的關(guān)鍵過程；但合金結(jié)構(gòu)鋼表 面沒有阻礙氮化的鈍化膜，所以氮化前或氮化中都不存在去除鈍化膜的過程，還有，合金結(jié) 構(gòu)鋼氮化比不銹鋼較容易進(jìn)行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有合金結(jié)構(gòu)鋼的氮化工藝存在氮化時間長，造成生產(chǎn)效 率低的問題，而提供一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法。
[0005] -、將催滲劑與干燥的砂子混合均勻，得到催滲劑/砂子混合物，再將催滲劑/砂 子混合物裝入鐵桶中；
[0006] 步驟一中所述的催滲劑的質(zhì)量與干燥的砂子的質(zhì)量比為1: (2?3);
[0007] 二、將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和裝有催滲劑/砂子混合物的鐵桶置于氮化罐中，將爐蓋 封好，通入氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90%，再均勻加熱至氮化罐溫度為530°C? 540°C，再在氨分解率為20%?35%和溫度為530°C?540°C下保溫20h，再隨爐自然冷卻至 溫度低于150°C，可出爐，得到氮化層深度為彡0. 3_的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件；
[0008] 步驟二中所述的催滲劑/砂子混合物中催滲劑的質(zhì)量與氮化罐的體積比為 (100g ?150g) : lm3。
[0009] 本發(fā)明步驟二中氣體氮化時氨氣仍是不斷流進(jìn)流出的。
[0010] 本發(fā)明中所述的聚氯乙烯購買自黑龍江昊華化工有限公司，型號為PVC SG-5。
[0011] 本發(fā)明的原理及優(yōu)點：
[0012] 一、本發(fā)明使用的合金結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼和耐熱鋼具有區(qū)別，本發(fā)明使用的合金結(jié) 構(gòu)鋼表面沒有阻礙氮化的鈍化膜，所以氮化前或氮化中都不需要去除鈍化膜，而且本發(fā)明 使用的合金結(jié)構(gòu)鋼比不銹鋼較易進(jìn)行氮化；
[0013] 二、本發(fā)明加快滲入速度的首要措施是提高氮化溫度，將氮化溫度由510°C? 520°C，提高到530°C?540°C，其作用是加快氮原子在鋼中的擴(kuò)撒速度。
[0014] 三、本發(fā)明加入催滲劑，催滲劑能夠增強(qiáng)爐中滲氮氣氛的活性，從而增加能進(jìn)入鋼 中的活性氮原子的濃度和氮與鋼的親合力，還能增加鋼表面的活性，增強(qiáng)鋼吸收氮原子的 能力；滲氮氣氛和鋼表面活性增加能明顯增加鋼的表面氮濃度，濃度梯度增大擴(kuò)散的推動 力便增大，即增加滲入速度；
[0015] 四、本發(fā)明使用的催滲劑為聚氯乙烯，聚氯乙烯屬于鹵化物，鹵化物對滲氮有催滲 作用；鋼的氮化是由氨氣分解出氮原子，鋼表面吸收氮原子以及氮原子由表面向內(nèi)部擴(kuò)散 三個基本過程組成；氨氣在爐中發(fā)生的反應(yīng)為：2NH，3H 2+2[N],其中[N]為活性氮原子， 沒分解的NH3分子和N2分子中的氮滲不進(jìn)去，因此必須是剛分解瞬間存在的活性氮原子才 能進(jìn)入鋼中。聚氯乙烯在爐中分解出的氯原子能與4結(jié)合生成HC1，此過程能吸收并減少 爐中的H 2，使上述平衡的化學(xué)反應(yīng)向右移動，分解出更多的活性氮原子[N]，也就是增加了 爐中活性氮原子的濃度，增加了氣氛的活性。加速鋼對氮原子的吸收，增加鋼表面氮濃度； 此外聚氯乙烯（CH 2CHCl)n分解產(chǎn)生氯化氫或氯氣能與鋼表面的雜質(zhì)，如氧、硫化物結(jié)合打 開金屬鍵鐵以外的另一端，增加鋼對氮原子的吸附和吸收能力，尤其是加速吸收，這對提高 鋼表面氮濃度以及氮向鋼內(nèi)擴(kuò)散增加了推動力；即本催滲劑加入明顯地加快鋼滲氮速度， 能提前達(dá)到要求的滲入深度，縮短了合金結(jié)構(gòu)鋼滲氮的工藝時間。
[0016] 五、本發(fā)明在不降低原表面硬度和滲層深度要求的前提下，縮短了合金鋼的氮化 時間50%?70%。
[0017] 六、本發(fā)明使用的干燥的砂子的作用為阻礙催滲劑由裝催滲劑和干燥砂子的鐵桶 中較快的釋放到氮化罐中，使氮化全過程都在緩慢的釋放催滲劑。氮化罐中的氨氣一直流 進(jìn)流出，釋放的催滲劑不斷的被帶出氮化罐，需保證氮化全過程都在釋放，須防止催滲劑過 早的釋放完，短時間釋放過多，能造成氯化銨堵塞氮化罐出口。
[0018] 本發(fā)明可獲得一種合金結(jié)構(gòu)鋼氮化工藝的方法。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0019] 一：本實施方式是一種合金結(jié)構(gòu)鋼氮化工藝的方法，具體是按以下 步驟完成的：
[0020] 一、將催滲劑與干燥的砂子混合均勻，得到催滲劑/砂子混合物，再將催滲劑/砂 子混合物裝入鐵桶中；
[0021] 步驟一中所述的催滲劑的質(zhì)量與干燥的砂子的質(zhì)量比為1: (2?3);
[0022] 二、將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和裝有催滲劑/砂子混合物的鐵桶置于氮化罐中，將爐蓋 封好，通入氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90%，再均勻加熱至氮化罐溫度為530°C? 540°C，再在氨分解率為20%?35%和溫度為530°C?540°C下保溫20h，再隨爐自然冷卻至 溫度低于150°C，可出爐，得到氮化層深度為彡0. 3_的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件；
[0023] 步驟二中所述的催滲劑/砂子混合物中催滲劑的質(zhì)量與氮化罐的體積比為 (100g ?150g) : lm3。
[0024] 本實施方式步驟二中氣體氮化時氨氣仍是不斷流進(jìn)流出的。
[0025] 本實施方式中所述的聚氯乙烯購買自黑龍江昊華化工有限公司，型號為PVC SG-5。
[0026] 本實施方式的的原理及優(yōu)點：
[0027] -、本實施方式使用的合金結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼和耐熱鋼具有區(qū)別，本實施方式使用 的合金結(jié)構(gòu)鋼表面沒有阻礙氮化的鈍化膜，所以氮化前或氮化中都不需要去除鈍化膜，而 且本發(fā)明使用的合金結(jié)構(gòu)鋼比不銹鋼較易進(jìn)行氮化；
[0028] 二、本實施方式加快滲入速度的首要措施是提高氮化溫度，將氮化溫度由510°C? 520°C，提高到530°C?540°C，其作用是加快氮原子在鋼中的擴(kuò)撒速度。
[0029] 三、本實施方式加入催滲劑，催滲劑能夠增強(qiáng)爐中滲氮氣氛的活性，從而增加能進(jìn) 入鋼中的活性氮原子的濃度和氮與鋼的親合力，還能增加鋼表面的活性，增強(qiáng)鋼吸收氮原 子的能力；滲氮氣氛和鋼表面活性增加能明顯增加鋼的表面氮濃度，濃度梯度增大擴(kuò)散的 推動力便增大，即增加滲入速度；
[0030] 四、本實施方式使用的催滲劑為聚氯乙烯，聚氯乙烯屬于鹵化物，鹵化物對滲氮有 催滲作用；鋼的氮化是由氨氣分解出氮原子，鋼表面吸收氮原子以及氮原子由表面向內(nèi)部 擴(kuò)散三個基本過程組成；氨氣在爐中發(fā)生的反應(yīng)為：2NH 3e3H2+2[N]，其中[N]為活性氮 原子，沒分解的NH3分子和N 2分子中的氮滲不進(jìn)去，因此必須是剛分解瞬間存在的活性氮 原子才能進(jìn)入鋼中。聚氯乙烯在爐中分解出的氯原子能與4結(jié)合生成HC1，此過程能吸收 并減少爐中H 2，使上述平衡的化學(xué)反應(yīng)向右移動，分解出更多的活性氮原子[N]，也就是增 加了爐中活性氮原子的濃度，增加了氣氛的活性。加速鋼對氮原子的吸收，增加鋼表面氮濃 度；此外聚氯乙烯（CH 2CHCl)n分解產(chǎn)生氯化氫或氯氣能與鋼表面的雜質(zhì)，如氧、硫化物結(jié) 合打開金屬鍵鐵以外的另一端，增加鋼對氮原子的吸附和吸收能力，尤其是加速吸收，這對 提高鋼表面氮濃度以及氮向鋼內(nèi)擴(kuò)散增加了推動力；即本催滲劑加入明顯地加快鋼滲氮速 度，能提前達(dá)到要求的滲入深度，縮短了合金結(jié)構(gòu)鋼滲氮的工藝時間。
[0031] 五、本實施方式在不降低原表面硬度和滲層深度要求的前提下，縮短了合金鋼的 氮化時間50 %?70% ;
[0032] 六、本實施方式使用的干燥的砂子的作用為阻礙催滲劑由裝催滲劑和干燥砂子的 鐵桶中較快的釋放到氮化罐中，使氮化全過程都在緩慢的釋放催滲劑。氮化罐中的氨氣一 直流進(jìn)流出，釋放的催滲劑不斷的被帶出氮化罐，需保證氮化全過程都在釋放，須防止催滲 劑過早的釋放完，短時間釋放過多，能造成氯化銨堵塞氮化罐出口。
[0033] 本實施方式可獲得一種合金結(jié)構(gòu)鋼氮化工藝的方法。
[0034]

【具體實施方式】二：本實施方式與【具體實施方式】一不同點是：步驟一中所述的催滲 劑為粒狀或粉末狀。其他步驟與【具體實施方式】一相同。

【具體實施方式】 [0035] 三：本實施方式與一或二之一不同點是：步驟一中所 述的催滲劑為聚氯乙烯。其他步驟與一或二相同。

【具體實施方式】 [0036] 四：本實施方式與一至三之一不同點是：步驟一中所 述的砂子為型砂。其他步驟與一至三相同。
[0037]

【具體實施方式】五：本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同點是：步驟二中所 述的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為38CrMoAlA鋼工件、25Cr2MoVA鋼工件或30CrlMolV鋼工件；步驟四 中所述的氮化層深度為> 〇. 3mm的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為38CrM〇AlA鋼工件氮化 硬度HV彡900 ;步驟四中所述的氮化層深度為彡0. 3mm的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為 25Cr2M〇VA鋼工件氮化硬度HV彡650 ;步驟四中所述的氮化層深度為彡0. 3mm的氮化處理 后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為30CrlMolV鋼工件氮化硬度HV > 650。其他步驟與【具體實施方式】一 至四相同。
[0038] 采用以下試驗驗證本發(fā)明的有益效果：
[0039] 試驗一 ：38CrMoAlA合金結(jié)構(gòu)鋼氮化工藝的方法，具體是按以下步驟完成的：
[0040] 一、將催滲劑與干燥的砂子混合均勻，得到催滲劑/砂子混合物；
[0041] 步驟一中所述的催滲劑的質(zhì)量與干燥的砂子的質(zhì)量比為1:2. 5 ;
[0042] 步驟一中所述的催滲劑為粒狀；
[0043] 步驟一中所述的催滲劑為聚氯乙烯；所述的聚氯乙烯購買自黑龍江昊華化工有限 公司，型號為PVC SG-5 ;
[0044] 步驟一中所述的砂子為型砂；
[0045] 二、將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和催滲劑/砂子混合物置于氮化罐中，將爐蓋封好，再充入 氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90%，再均勻加熱至氮化罐溫度為535°C，再在溫度為 535°C下保溫20h，再隨爐自然冷卻至溫度為145°C，出爐得到氮化層深度為0. 3mm?0. 55mm 的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件；
[0046] 步驟二中所述的催滲劑/砂子混合物中催滲劑的質(zhì)量與氮化罐的體積比為 130g:lm 3。
[0047] 步驟二中所述的氨分解率為30%。
[0048] 試驗一中38CrMoAlA合金結(jié)構(gòu)鋼的氮化層深度為0· 35mm?0· 45mm，硬度HV為 950?1000時的氮化時間為20h，而現(xiàn)有38CrMoAlA合金結(jié)構(gòu)鋼氮化層深度為0· 33mm? 0. 4mm，硬度HV為930?960時需要的氮化時間為30h，因此本發(fā)明縮短了 38CrMoAlA合金 結(jié)構(gòu)鋼氮化時間為50%。
[0049] 試驗二：25Cr2MoVA合金結(jié)構(gòu)氮化工藝的方法，具體是按以下步驟完成的：
[0050] -、將催滲劑與干燥的砂子混合均勻，得到催滲劑/砂子混合物；
[0051] 步驟一中所述的催滲劑的質(zhì)量與干燥的砂子的質(zhì)量比為1:2. 5 ;
[0052] 步驟一中所述的催滲劑為粒狀；
[0053] 步驟一中所述的催滲劑為聚氯乙烯；所述的聚氯乙烯購買自黑龍江昊華化工有限 公司，型號為PVC SG-5 ;
[0054] 步驟一中所述的砂子為型砂；
[0055] 二、將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和催滲劑/砂子混合物置于氮化罐中，將爐蓋封好，再充入 氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90%，再均勻加熱至氮化罐溫度為535°C，再在溫度 為535°C下保溫20h，再隨爐自然冷卻至溫度為145°C，出爐得到氮化層深度為0. 35mm? 0. 45mm的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件；
[0056] 步驟二中所述的催滲劑/砂子混合物中催滲劑的質(zhì)量與氮化罐的體積比為 130g:lm 3。
[0057] 步驟二中所述的氨分解率為30%。
[0058] 試驗二中25Cr2MoVA合金結(jié)構(gòu)鋼的氮化層深度為0· 35mm?0· 45mm，硬度HV為 700?750時的氮化時間為20h，而現(xiàn)有25Cr2MoVA合金結(jié)構(gòu)鋼氮化層深度為0· 33mm? 0. 4mm，硬度HV為680?750時需要的氮化時間為30h，因此本發(fā)明縮短了 25Cr2MoVA合金 結(jié)構(gòu)鋼氮化時間為50%。
[0059] 試驗三：30CrlMolV合金結(jié)構(gòu)鋼氮化工藝的方法，具體是按以下步驟完成的：
[0060] 一、將催滲劑與干燥的砂子混合均勻，得到催滲劑/砂子混合物；
[0061] 步驟一中所述的催滲劑的質(zhì)量與干燥的砂子的質(zhì)量比為1:2. 5 ;
[0062] 步驟一中所述的催滲劑為粒狀；
[0063] 步驟一中所述的催滲劑為聚氯乙烯；所述的聚氯乙烯購買自黑龍江昊華化工有限 公司，型號為PVC SG-5 ;
[0064] 步驟一中所述的砂子為型砂；
[0065] 二、將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和催滲劑/砂子混合物置于氮化罐中，將爐蓋封好，再充入 氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90%，再均勻加熱至氮化罐溫度為535°C，再在溫度 為535°C下保溫20h，再隨爐自然冷卻至溫度為145°C，出爐得到氮化層深度為0. 35mm? 0. 45mm的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件；
[0066] 步驟二中所述的催滲劑/砂子混合物中催滲劑的質(zhì)量與氮化罐的體積比為 130g:lm3。
[0067] 步驟二中所述的氨分解率為30% %。
[0068] 試驗三中30CrlMolV合金結(jié)構(gòu)鋼的氮化層深度為0. 35mm?0. 4mm，硬度HV為 705?750時的氮化時間為20h，而現(xiàn)有30CrlMolV合金結(jié)構(gòu)鋼氮化層深度為0· 33mm? 0. 38mm，硬度HV為680?720時需要的氮化時間為30h，因此本發(fā)明縮短了 30CrlMolV合 金結(jié)構(gòu)鋼氮化時間為50%。
【權(quán)利要求】
1. 一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法，其特征在于一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣 體氮化工藝時間的方法具體是按以下步驟完成的： 一、 將催滲劑與干燥的砂子混合均勻，得到催滲劑/砂子混合物，再將催滲劑/砂子混 合物裝入鐵桶中； 步驟一中所述的催滲劑的質(zhì)量與干燥的砂子的質(zhì)量比為1: (2?3); 二、 將合金結(jié)構(gòu)鋼工件和裝有催滲劑/砂子混合物的鐵桶置于氮化罐中，將爐蓋封 好，通入氨氣，至氨氣在氮化罐中體積分?jǐn)?shù)為90%，再均勻加熱至氮化罐溫度為530°C? 540°C，再在氨分解率為20%?35%和溫度為530°C?540°C下保溫20h，再隨爐自然冷卻至 溫度低于150°C，可出爐，得到氮化層深度為彡0. 3_的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件； 步驟二中所述的催滲劑/砂子混合物中催滲劑的質(zhì)量與氮化罐的體積比為（l〇〇g? 150g) : lm3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法，其特征在于 步驟一中所述的催滲劑為粒狀或粉末狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法，其特征在于 步驟一中所述的催滲劑為聚氯乙烯。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法，其特征在于 步驟一中所述的砂子為型砂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縮短合金結(jié)構(gòu)鋼氣體氮化工藝時間的方法，其特征在于 步驟二中所述的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為38CrMoAlA鋼工件、25Cr2MoVA鋼工件或30CrlMolV鋼工 件；步驟四中所述的氮化層深度為彡〇. 3mm的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為38CrM〇AlA 鋼工件氮化硬度HV彡900 ;步驟四中所述的氮化層深度為彡0. 3mm的氮化處理后的合金結(jié) 構(gòu)鋼工件為25Cr2M〇VA鋼工件氮化硬度HV彡650 ;步驟四中所述的氮化層深度為彡0. 3mm 的氮化處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼工件為30CrlMo IV鋼工件氮化硬度HV彡650。
【文檔編號】C23C8/26GK104250720SQ201410468200
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】高枝森, 王淑新, 盛昆川, 梁小丹, 周策, 李應(yīng)新, 曹利峰, 林延偉, 馬春斌, 王立偉 申請人:哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司