一種金屬表面熱處理方法
2023-06-09 05:42:16 2
專利名稱：一種金屬表面熱處理方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料表面工程技術，更具體地說涉及通過熱處理手段提高鐵碳合金(包括各種鋼材、鑄鐵、粉末冶金等)材料及由其製成的零部件、各種模具表面機械性能和化學性能的技術領域。
背景技術：
鋼鐵材料即鐵碳合金是最基本的工業原材料，其質量和數量直接關係到工業生產、國計民生、技術進步。從鐵礦石到鋼材，並製造出零部件到裝配成一部機器是一個十分複雜、繁重和成本高、周期長的生產過程。如何提高零部件、模具的表面性能，延長使用期限，是一項十分有價值的工作。
一部機器或模具對用戶來說，是越耐用越好，那麼就要使零部件具有較高的硬度、強度、耐磨和耐腐蝕等性能，但對零部件的加工來說，又要求各種鋼材的硬度不能太高，以方便切削。這個矛盾可由熱處理方法來解決，然而，目前眾多的熱處理工藝都普遍存在著難以克服的缺陷，即變形、脆性和易受腐蝕，在生產和使用上造成諸多麻煩，如整體淬火、表面淬火、高頻、中頻處理、滲碳等均屬如此。溫度較低的如氮化、等離子滲氮等，變形量雖小，但由於氮原子滲入的鈍性存在，造成硬度層太淺(0.05-0.06毫米，超不過0.100毫米)，實用價值不佳。現在技術中還有一種以大幅度延長處理時間(5-7晝夜)來達到0.50-0.60毫米深度的硬氮化方法，但這種方法由於部件在爐裡長時間加熱，使工件表面遭受破壞、整體產生變形，需重新進行校正和磨削才可投入使用。另外，一些新的表面處理技術如滲金屬元素、蒸氣真空離子注入等，大都因設備複雜、技術難度大、成本高等缺點，實用上受到限制。所以目前金屬熱處理技術中普遍存在容易變形、變脆，處理層深度硬度不夠等缺陷，已不適應機械，模具工業的快的發展的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有使被處理金屬變形小，硬度高、韌性好、硬度層較深達到0.3-0.5毫米和防腐性能好的金屬熱處理工藝。
本發明包括以下步驟A、將非金屬氣體氨氣介質經過淨化後通入爐罐內；B、同時開始給爐子加熱，在溫度升到350℃左右，氨氣開始析出氮離子；C、當溫度達到所需保溫溫度410-620℃時，經過混合器加入氧氣，同時給爐罐施加一定大氣壓力；D、經過15-20小時的保溫後，停電降溫，並關氧氣；E、當爐溫降至480-450℃，關氨氣，工件出爐，空氣冷卻，清理工件。
上述的步驟A中氨氣通入爐罐內的方式是由底部通入爐罐內。
上述的步驟A中氨氣通入爐罐內的方式是經過螺旋管道取得旋流後由底部通入爐罐內。
上述的步驟C中所述的混合器為二個進氣口，一個出氣口的三通管形式。
上述的步驟C中氧氣和氨氣在三通管混合，並經過電磁超聲振動、加熱獲得一定能量後，經螺旋管道由底部通入爐罐內，以旋流並形成渦流從下而上慢速地充滿爐罐中待處理的工件四周。
上述的步驟A中氨氣的流量為60-1400L/h。
上述的步驟C中氧氣的流量為20-120ml/min。
上述的步驟C中給爐罐施加的一定壓力為0.01-0.5大氣壓力。
本發明在把變形控制在極微小的前提下，達到了提高金屬表面硬度與強度、耐磨、有韌性、耐腐蝕等綜合性能，硬度層達0.3-0.5毫米，解決了熱處理行業中目前普遍存在的變形、脆性、深度、防腐和環保等技術難題，具有下列優點(一)、適應環保要求，工藝先進。本工藝流程不含有毒成份，冷卻不用油、不用水，清潔衛生，而且可為工業上大量減少電鍍工作量，減輕對環境的汙染。
(二)、解決了形狀、結構複雜塑(橡)膠模具的表面處理，提高衝剪成型五金模具的韌性，提高壓鑄模抵抗熱應力受損的能力。總之，提高模具質量，延長模具壽命，滿足工業發展對模具的需求。
(三)、可用價廉的國產合金調質鋼——40Cr代替價格高昂的進口模具鋼，降低模具成本，減少鋼材進口量。
(四)、對機械零件加工方面，可減少工序、方便加工。由於變形量之極其微小，工件要求加工到位，不留餘量。經本工藝處理後即可裝機使用，大受歡迎。(對孔類零件而言，一經從夾具取下，經熱處理後變形，為了磨去變形的加工餘量而要重新找回來的中心，是何等的困難。)(五)、防腐性能好，且外觀漂亮。可代替電鍍、磷化、發黑等，一勞永逸。
(六)、適用性廣。各種碳鋼、合金鋼、鑄件、粉末冶金、不鏽鋼等材料製成的形狀、大小、結構複雜的機械零部件、模具均可適用。
(七)、自動化程度高。操作簡單，穩定可靠。生產效率高，經濟效益十分可觀。
附圖1為實施例中爐罐結構示意圖。
附圖2為處理過的金屬的金相組織圖。
附圖3為處理過的金屬的金相組織圖。
圖2、圖3為處理過的金屬的金相組織圖。圖中金相組織為點狀或條狀淡物(FeN2，FeN)及細片狀的碳氮化物的珠光體組織。
在實施例中，本工藝與一般的氮化表面處理法的利用氨水滴入取氮，再加風扇往下吹氣的落後方法不同。而是通過淨化器淨化、螺旋管道(取得旋流)後將氨氣從底部通入爐罐內(流量為60-1400L/h，根據工件量加以控制)，同時開始給爐子加溫，當溫度升到350℃左右，氨氣開始析出氮離子，隨著爐溫的上升，氮原子逐漸滲透入到α-Fe晶格的間隙中，當溫度上升到所需保溫溫度410-620℃(根據工件大小和裝爐量決定)，開始通過混合器(三通管形式)加入氧氣，流量為20-120ml/min，大小參照氨氣流量。氧氣和氨氣在三通管混合，並經過電磁超聲振動、加熱獲得一定能量後，經螺旋管道由底部通入爐罐內，以旋流並形成渦流從下而上慢速地充滿爐罐中待處理的工件四周。同時給爐罐施加0.01-0.5大氣壓力。此時受熱氧氣起催化劑作用，使氮原子有足夠的能量向鋼件組織深部滲透，以達到提高金屬表面組織的密度的固溶強化作用。同時部份氮原子與鐵原子結合生成Fe3N和Fe2N的化合物，此時得到的金相組織為點狀或條狀的氮化物和細片狀的碳化物的珠光體，從而使鋼件表面獲得較為緻密的組織結構，並具有較深的滲透層，因此，在變形量極微小的前提下，得到較高的硬度、脆性小、有韌性、耐磨耐腐蝕等優越的機械性能。
經過15-20小時保溫(亦由工件大小，裝爐量決定)後，停電降溫，並關氧氣，當爐溫降至480-450℃時，關氨氣，工件出爐，空氣冷卻，清理工件，工藝過程完畢。
爐內主要化學反過程(1)
(2)
小部份氧與氫結合生成水蒸氣隨廢氣排出，減少了氫與鋼件表面發生作用而生成氫化物，減少表面脆性的發生。
從附圖中可看出金相組織結構。
因此，本工藝使鋼件較深範圍的表面得到較高的硬度、韌性和防腐蝕、抗氧化性能，強度也相應有所提高，而整個工藝過程均在較低的溫度下(共析溫度線下)進行，並未發生奧氏體轉變，故變形量極其微小。同時，本工藝與常規熱處理提高金屬硬度主要手段——即通過高溫經過相變得到既硬且脆的馬氏體的方法無關，故具有較好的韌性。
權利要求
1.一種金屬表面熱處理方法，其特徵在於包括以下步驟A、將非金屬氣體氨氣介質經過淨化後通入爐罐內；B、同時開始給爐子加熱，在溫度升到350℃左右，氨氣開始析出氮離子；C、當溫度達到所需保溫溫度410-620℃時，經過混合器加入氧氣，同時給爐罐施加一定大氣壓力；D、經過15-20小時的保溫後，停電降溫，並關氧氣；E、當爐溫降至480-450℃，關氨氣，工件出爐，空氣冷卻，清理工件。
2.根據權利要求1所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟A中氨氣通入爐罐內的方式是由底部通入爐罐內。
3.根據權利要求2所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟A中氨氣通入爐罐內的方式是經過螺旋管道取得旋流後由底部通入爐罐內。
4.根據權利要求1或2或3所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟C中所述的混合器為二個進氣口，一個出氣口的三通管形式。
5.根據權利要求4所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟C中氧氣和氨氣在三通管混合，並經過電磁超聲振動、加熱獲得一定能量後，經螺旋管道由底部通入爐罐內，以旋流並形成渦流從下而上慢速地充滿爐罐中待處理的工件四周。
6.根據權利要求1或2或3所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟A中氨氣的流量為60-1400L/h。
7.根據權利要求5所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟A中氨氣的流量為60-1400L/h。
8.根據權利要求1或2或3所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟C中氧氣的流量為20-120ml/min。
9.根據權利要求5所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟C中氧氣的流量為20-120ml/min。
10.根據權利要求1或2或3所述的熱處理方法，其特徵在於上述的步驟C中給爐罐施加的一定壓力為0.01-0.5大氣壓力。
全文摘要
本發明公開了一種金屬表面熱處理方法將具有一定壓力的氨氣以旋流的形式通入爐罐內；同時開始給爐子加熱，隨著爐溫的上升，氮原子開始向鋼件表面α－Fe晶格間隙中滲透；當溫度達到所需保溫溫度410－620℃時，加入氧氣，同時給爐罐施加一定壓力，此時受熱氧氣起催化劑作用，使氮原子向鋼件組織深部滲透，以達到提高金屬表面組織的密度的固溶強化作用；經過15－20小時的保溫後，停電降溫，關氧氣；當爐溫降至480－450℃，關氨氣，工件出爐。本發明在把變形控制在極微小的前提下，達到了提高金屬表面硬度與強度、耐磨、有韌性、耐腐蝕等綜合性能，解決了熱處理行業中目前普遍存在的變形、脆性、深度、防腐和環保等技術難題。
文檔編號C23C8/24GK1431337SQ0311370
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月24日 優先權日2003年1月24日
發明者劉長樂 申請人:劉長樂