一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法

2023-06-01 00:30:06 4

專利名稱：一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法
技術領域：
本發明涉及一種實現滲氮或滲碳的方法，具體涉及一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法。
背景技術：
滲氮和滲碳是兩種非常常見的金屬表面熱處理方法，兩者雖然介質不同，適用範圍不同，但是處理工藝上卻頗為相似。滲氮是將鋼件置於含氮的活性介質中，在一定的溫度下，使氮原子擴散進入鋼件表面，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熱處理工藝。滲氮時，我們向滲氮環境提供熱量來獲得滲劑中的活性氮原子以及加大滲層金屬晶體原子的振動幅度以求為氮原子提供空間和相應的擴散速度。滲氮工藝主要有以下優點(I)處理溫度低。普通滲氮一般在480°C—650°C，滲氮後不需再進行淬火強化，滲後一般不需要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，傳統的滲氮工藝也有其致命的不足之處，即由於滲氮溫度低，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熱處理工藝。由此，`大大抵消了滲氮工藝的優點，長期而嚴重的阻礙著該項技術的應用和發展，如何縮短滲氮時間，提高擴散速度就成了該工藝發展過程中的長期命題。顯而易見，為了獲得介質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，在傳統滲氮所提供的能量中，一部分熱量被用來加熱體積佔比為98%以上的金屬零件滲氮層以外的金屬體積；另一部分熱量用來加熱爐膛環境並被散失掉。這兩部分熱量加起來可達輸入總熱量的95%以上，真正用到體積佔比不到3%的滲層上的有效熱量是很少的。這就表明，在傳統滲氮工藝中，為了獲得不到5%的效果，卻長期投入著100%的代價。這就是為什麼傳統滲氮工藝周期長、效率低、耗能高和成本高的原因所在。傳統滲氮工藝，氮原子的吸收和擴散是一個被動過程。人們只能通過向宏觀環境提供熱量以強迫氮原子滲入零件表面。從能量形式和零件表層晶體結構來講，零件表層沒有形成對氮原子的吸引力，也沒有為氮原子的滲入提供通道，零件表層只是被動地接受氮原子的滲入。在滲氮期間，人們提供的熱能大部分被散失掉，只有極少部分用於氮原子向零件表面的滲入過程。上述分析說明，要向滲氮環境提供有效能量，即僅向滲層金屬提供能量，而不是粗放地向滲層以外的整體環境提供能量。要使所提供的能量具有最大限度的靶向性、精準性以提高效率、降低消耗。中國專利200910040165. O公開了一種汽車輪胎模具的快速節能氣體軟氮化方法，採用增壓噴丸方法對置於具有增壓系統的噴丸設備的料盤中的輪胎模具零件進行表面納米化處理，噴丸處理完畢後進行滲氮工藝處理。該專利減少了 5小時的滲氮時間。該專利所述實施步驟是分兩步進行的。第一步，首先將被處理零件進行噴丸處理，其目的是製造晶體缺陷，為氮原子提供擴散通道。第二步，將噴丸後的零件重新置入滲氮爐中進行傳統工藝滲氮處理，滲氮溫度是570°C。該專利稱可將滲氮時間比傳統滲氮時間減少5小時，這是從文字上可以看到的該技術所取得的唯一成果。金屬零件在進行噴丸處理時確實能產生晶體缺陷，這是眾所周知的常識。但是，需要強調指出的是根據材料科學基礎和金屬學原理及常識可知，這些晶體缺陷是處於高能量且高度不穩定狀態，在隨後的滲氮加熱過程中，這些缺陷因為被加熱而在氮原子滲入之前就會消失殆盡。因此，該專利中所述的原理及方法存在重大缺陷，無法推理和想像該專利所述的噴丸處理時所得到的晶體 缺陷能對之後的滲氮處理時為氮原子提供其擴散通道這一設想。滲碳是將低碳鋼零件，在滲碳介質(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，再進行淬火併低溫回火，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熱處理工藝。滲碳具有極高的工業意義和價值。經過滲碳後的低碳鋼零件，其心部和基體仍然保持低碳鋼的成分、組織結構，因而仍然保持著良好的塑性，較高的韌性和耐衝擊性能；而表層獲得了高碳鋼的成分和組織結構，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、組織結構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並且向固體內部擴散的過程，因而是一個漫長和艱難的過程。為此，需要向滲碳爐內輸入大量熱量用以加熱爐膛和零件整體，而滲碳只發生在表層O. 0-3. Omm處，因此，傳統滲碳方式90%以上的能量是無效的，被浪費掉了。只有不到10%的能量用於滲碳過程。傳統滲碳的物理機制是，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，傳統滲碳是一個周期長，成本高，消耗巨大的工藝。中國專利(專利號2004100110347，專利名稱汽車變速箱齒輪滲碳後雷射焊接方法)，中國專利(專利號2007101906846，專利名稱圓孔薄壁類零件滲碳淬火方法)，雖然都提到了滲碳和噴丸技術，但是它們的噴丸都是在滲碳結束後才進行的，眾所周知，現有的滲碳結束後的噴丸工藝的作用僅僅是通過噴丸手段達到形變強化目的，與滲碳過程毫不相干，更談不上對滲碳過程有什麼貢獻。現有滲碳技術中將零件加熱到900°C _950°C高溫會嚴重破壞零件的精度，高溫帶來的弊端一直是業內人士難以解決的問題。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法。它具有可控制造金屬表層晶體缺陷和高速加熱零件表層的優點。為實現上述目的，本發明採用下述技術方案一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法，包括以下步驟
(I)將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳、滲氮的工零件表面之間留有15 100mm的間距，不需要滲碳、滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮或滲碳處理通過熱氣流發生器將滲氮劑加熱至30(T50(TC，或將滲碳劑加熱至65(T80(TC，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將彈丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷，同時提高零件的表面溫度；滲氮處理時間為O. 5飛小時，滲碳處理時間為O. 5^4小時；(3)滲後冷卻。步驟(I)中，零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨。步驟(2)中，所述彈丸為圓形鋼絲切丸，其直徑為O. 5Γ2. 0mm。步驟(2)中，所述滲氮劑為無水氨氣，在滲氮處理時，向熱氣流發生器通入無水氨氣，並將熱氣流噴向零件表面。步驟(2)中，所述滲碳劑為煤油、丙酮或滲碳油。步驟(2)中，滲氮處理時，控制氨分解率為15 45%，滲層組織為索氏體和氮化物，不出現ε氮化物；滲層厚度為O. 1(Γ · 5mm。步驟(2)中，滲碳處理時，用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/min的辦法控制，零件表層碳勢為O. 7%-1. 2%，滲層厚度為O. 5 3mm，滲層殘餘奧氏體量為0飛％，二次碳化物析出量為0 4%。本發明的原理是本發明是根據材 料科學基礎與金屬學的基本原理，通過熱氣流發生器將滲氮劑加熱至30(T5(KrC，或將滲碳劑加熱至65(T80(TC，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將彈丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷。彈丸將攜帶的動能與零件表面進行能量交換，其動能被零件表面吸收後轉化成兩種能量形式一部分使零件表層晶體點陣原子激活脫位，形成空位，原子疏鬆區、位錯壘、亞晶界等晶體缺陷，這些缺陷所產生的應力場形成對碳、氮原子的吸引力以對碳、氮原子提供微觀力學支持，降低激活能和滲入阻力，同時，這些缺陷還是碳、氮原子的擴散通道。另一部分轉化成熱能快速加熱滲層。這為低溫、快速滲氮或滲碳提供了重要環境。本發明與中國專利200910040165. O的本質區別在於本發明實施噴丸處理與熱氣流噴射加熱這兩個動作同時進行。只有這兩個動作同時進行，才能保證噴丸所取得的成果(獲得零件表層晶體缺陷，為碳、氮原子的擴散提供通道)立刻被碳、氮原子的吸收和擴散所利用，從而實現降低滲碳及滲氮溫度，大幅縮短滲碳及滲氮時間的效果。本發明的有益效果本發明所採用的方法可以使零件表面主動吸引碳、氮原子附著表層並，為碳、氮原子的擴散提供了大量通道。從而使滲氮、滲碳過程由零件對碳、氮原子的被動滲入變為主動吸入碳、氮原子。由於提供了熱氣流噴射加熱與噴丸這種能量供給方式，從而實現了僅對滲層區域提供能量的設想，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、大幅提高了滲氮或滲碳效率，大幅降低因滲碳、滲氮變形對零件精度的破壞，可使廢品率大幅降低，從而大幅度提高滲氮、滲碳質量和精度以及滲氮、滲碳零件的使用壽命，可導致滲氮、滲碳工藝得以更大範圍應用並由此進入更大實用化階段。
本發明與傳統滲氮或滲碳的對比優勢1、傳統滲氮，氮原子或碳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氮原子或碳原子。而彈丸撞擊金屬表面時，由於晶體缺陷應力場的吸引作用，金屬表面將產生吸引力，主動吸入氮原子或碳原子並提供通道使其快速擴散。2、傳統滲氮或滲碳方式所使用的熱量用來對爐膛和零件整體加熱，這其中95%是無效熱量，被浪費掉了。本發明通過熱氣流噴射加熱與噴丸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，節能減排。本發明將會使滲氮溫度降低至300°C 500°C (傳統滲氮溫度需要500°C 650°C )，縮短時間509Γ80%，降低能耗80%，大幅度提高零件精度，大幅降低零件變形量，產品合格率達98%以上。滲碳溫度降低至650_800°C (傳統滲碳溫度需要900°C -950°C )，明顯降低了滲碳溫度，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，產品合格率達98%以上。延長了化學熱處理爐的壽命，大幅降低了滲碳成本。


圖1是本發明中化學熱處理爐的結構示意圖；其中，1.熱氣流發生器，2.熱氣流噴嘴，3.拋丸器，4.淬火槽，5.淬火活門，6.彈丸收集箱，7.提升機，8彈丸溢出管，9.流量控制閥，10.加熱爐，11.滲碳劑容器，12.失能彈丸收集通道，13.篩分選器，14.廢料箱，15.貯丸器，16.零件。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，並不對其內容進行限定。以下零件均以齒輪零件為例進行說明，但不局限於此。實施例1 :一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲氮的零件表面之間留有15mm的間距，不需要滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮處理向零件表面噴射滲氮氣氛，排除零件周圍的空氣；通過熱氣流發生器將氨氣加熱至300°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為
O.51mm，與此同時，熱氣流噴射至零件表面；根據零件不同服役條件，；滲氮處理的時間為
O.5小時；控制氨分解率為15% ;滲層深度為O. 20mm ;控制滲層組織為極為細小的索氏體和氮化物，不出現ε氮化物；(3)滲後冷卻。實施例2:一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮的方法，包括以下步驟
(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲氮的零件表面之間留有25mm的間距，不需要滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮處理向爐內零件表面噴射滲氮氣氛，排除零件周圍的空氣；通過熱氣流發生器將氨氣加熱至500°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為
2.0mm，與此同時，熱氣流噴射至零件表面；根據零件的不同服役條件，滲氮處理時間為6小時；控制氨分解率為25% ;滲層深度為1. 5mm ;控制滲層組織為極為細小的索氏體和氮化物，不出現ε氮化物；(3)滲後冷卻。實施例3 一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲氮的零件表面之間留有40mm的間距，不需要滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮處理向爐內零件噴射滲氮氣氛，排除零件周圍的空氣；通過熱氣流發生器將氨氣加熱至400°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到 零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為1.0mm，與此同時，熱氣流噴射至零件表面；根據零件的不同服役條件，滲氮處理的時間為3小時；控制氨分解率為18% ;滲層深度為O. 9mm ;控制滲層組織為極為細小的索氏體和氮化物，不出現ε氮化物；(3)滲後冷卻。實施例4:一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲氮的零件表面之間留有75mm的間距，不需要滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮處理向爐內零件噴射滲氮氣氛，排除零件周圍的空氣；通過熱氣流發生器將氨氣加熱至450°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為1.5mm，與此同時，熱氣流噴射至零件表面；根據零件的不同服役條件，滲氮處理的時間為4小時；控制氨分解率為22% ;滲層深度為1. 2mm ;控制滲層組織為極為細小的索氏體和氮化物，不出現ε氮化物；(3)滲後冷卻。實施例5 一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲碳的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳的零件表面之間留有20mm的間距，不需要滲碳的表面相互靠近貼實以節省空間；
(2)滲碳處理通過熱氣流發生器將滲碳劑煤油、丙酮或滲碳油加熱至650°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為O. 51mm ;用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/min的辦法控制，滲碳處理時間為O. 5小時；零件表層碳勢為O. 7%，滲層厚度為O. 5mm，滲層殘餘奧氏體量為0，二次碳化物析出量為O。(3)滲後冷卻。實施例6:一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲碳的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳的零件表面之間留有IOOmm的間距，不需要滲碳的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲碳處理通過熱氣流發生器將滲碳劑煤油、丙酮或滲碳油加熱至800°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為2. Omm ;用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/min的辦法控制·，滲碳處理時間為4小時；零件表層碳勢為1. 2%，滲層厚度為3mm，滲層殘餘奧氏體量為5%，二次碳化物析出量為4%。(3)滲後冷卻。實施例7 —種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲碳的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳的零件表面之間留有50mm的間距，不需要滲碳的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲碳處理通過熱氣流發生器將滲碳劑煤油、丙酮或滲碳油加熱至700°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為1. Omm ;用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/min的辦法控制，滲碳處理時間為1. 5小時；零件表層碳勢為O. 9%，滲層厚度為1. 5mm，滲層殘餘奧氏體量為1%，二次碳化物析出量為2%。(3)滲後冷卻。實施例8:一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲碳的方法，包括以下步驟(I)零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨，將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳的零件表面之間留有75mm的間距，不需要滲碳的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲碳處理通過熱氣流發生器將滲碳劑煤油、丙酮或滲碳油加熱至750°C，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將圓形鋼絲切丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷；鋼絲切丸的直徑為1. 5mm ;用碳勢探測器和計算機自動控制或用滴/min的辦法控制，滲碳處理時間為3小時；零件表層碳勢為1. 0%，滲層厚度為2. 5mm，滲層殘餘奧氏體量為2%，二次碳化物析出量為2%。(3)滲後冷卻。
在實施例f 8中，所涉及的化學熱處理爐包括加熱爐10、拋丸機、熱氣流發生器1、熱氣流噴嘴2、淬火槽4、滲氮劑或滲碳劑容器11，拋丸機的貯丸器15設於加熱爐10外部的上方，熱氣流噴嘴2、以及拋丸機的拋丸器3設於加熱爐10內，拋丸器3與貯丸器15連接，熱氣流噴嘴2通過管道與熱氣流發生器I連接，熱氣流發生器I與滲碳劑容器11連接，力口熱爐10底部通過淬火活門5與淬火槽4連接，加熱爐10下部設有失能彈丸收集通道12，爐膛通過失能彈丸收集通道12與彈丸收集箱6連接。熱氣流發生器I與滲碳劑容器11之間設有流量控制閥9。加熱爐與碳勢探測器連接，碳勢探測器與計算機自動控制系統連接，計算機自動控制系統與流量控制閥9連接。在滲碳過程中通過碳勢探測器和計算機自動控制滲碳介質的滴注速度。拋丸器3按照零件需要設有多個。拋丸器3與彈丸收集箱6之間設有提升機7。貯丸器4上部設篩分選器13，貯丸器15的上部通過彈丸溢出管8與彈丸收集箱6連接，篩分選器13與廢料箱14連接。上述雖然對本發明的具體實施方式
進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發 明的保護範圍以內。
權利要求
1.一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳、滲氮的零件表面之間留有 15^100mm的間距，不需要滲碳、滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮或滲碳處理通過熱氣流發生器將滲氮劑加熱至30(T50(TC，或將滲碳劑加熱至65(T80(TC，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將彈丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷，同時提高零件的表面溫度；滲氮處理時間為O.5飛小時，滲碳處理時間為O. 5^4小時；(3)滲後冷卻。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(I)中，零件以汽油、酒精或丙酮將其表面的汙垢清洗乾淨。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(2)中，所述彈丸為圓形鋼絲切丸，其直徑為 O. 5Γ2. 0mm。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(2)中，所述滲氮劑為無水氨氣，在滲氮處理時，向熱氣流發生器通入無水氨氣，並將熱氣流噴向零件表面。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(2)中，所述滲碳劑為煤油、丙酮或滲碳油。
全文摘要
本發明公開了一種熱氣流噴射加熱與噴丸實現滲氮或滲碳的方法。它具有可控制造金屬表層晶體缺陷和高速精準加熱零件表層的優點。該方法包括以下步驟(1)將清洗乾淨的零件安裝到化學熱處理爐內，需要滲碳、滲氮的零件表面之間留有15~100mm的間距，不需要滲碳、滲氮的表面相互靠近貼實以節省空間；(2)滲氮或滲碳處理通過熱氣流發生器將滲氮劑加熱至300~500℃，或將滲碳劑加熱至650~800℃，經熱氣流噴嘴噴射至零件表面以高速加熱零件表層，同時，利用拋丸機將彈丸噴射到零件表面以製造金屬表層晶體缺陷，同時提高零件的表面溫度；滲氮處理時間為0.5~6小時，滲碳處理時間為0.5~4小時；(3)滲後冷卻。
文檔編號C23C8/20GK103046058SQ201310028578
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者崔建軍, 萬桂怡, 崔瀟 申請人:山東大學