一種基于感應(yīng)加熱的雙脈沖快速滲氮方法及裝置與流程

本發(fā)明涉及一種基于感應(yīng)加熱的雙脈沖快速滲氮方法及裝置，屬于金屬快速滲氮表面強化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼以及鈦合金等結(jié)構(gòu)材料均不同程度地存在硬度低，耐磨性差等缺點。為擴(kuò)大這些金屬的應(yīng)用范圍，提高其表面性能，常常對其采用滲氮強化處理。目前常見的滲氮方法有氣體滲氮、離子氮化、等離子氮化，激光氣體滲氮等。但這些滲氮技術(shù)還存在諸如時間長、工件易氧化、操作復(fù)雜、實驗設(shè)備昂貴、滲層薄、表面粗糙度高、均勻性差、組織缺陷多、結(jié)合強度低、難以對盲孔部分進(jìn)行處理、對幾何形狀有一定要求等問題。目前雖然與出現(xiàn)了真空脈沖氣體滲氮技術(shù)，但其仍然存在效率低、滲層薄的問題。

傳統(tǒng)的氣體滲氮設(shè)備的熱源大都采用電阻絲加熱的方式，其升溫速度和降溫速度均比較慢，不僅增加了滲氮過程中能耗，也延長了滲氮時間，不利于氣體滲氮的批量化生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種簡單便捷、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低、周期短的基于感應(yīng)加熱的雙脈沖快速滲氮方法及裝置，以克服傳統(tǒng)氣體滲氮的缺陷，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明的一種基于感應(yīng)加熱的雙脈沖快速滲氮方法為，該方法通過高頻電源對石英真空管中的工件進(jìn)行快速加熱氮化，采用紅外測溫儀和壓力傳感器分別對石英真空管內(nèi)工件的表面溫度和真空管中滲氮氣體的壓力進(jìn)行監(jiān)測，控制系統(tǒng)通過溫度信號控制工件在設(shè)定溫度區(qū)間脈沖循環(huán)或穩(wěn)定于設(shè)定溫度，通過壓力信號控制管內(nèi)壓力呈矩形脈沖式變化；具體操作步驟如下：

步驟一、先將需要進(jìn)行滲氮處理的工件表面清洗后放入雙脈沖感應(yīng)滲氮裝置的石英真空管中，然后密封、檢漏后反復(fù)抽真空并通入高純氮氣或氬氣排除石英真空管內(nèi)空氣；

步驟二、對石英真空管抽真空，達(dá)到真空度要求后，開啟高頻機(jī)對石英真空管中的工件進(jìn)行加熱，同時采用紅外測溫儀和壓力傳感器分別對工件的表面溫度和石英真空管中滲氮氣體的壓力進(jìn)行監(jiān)測；

步驟三、將溫度信號和壓力信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過控制高頻機(jī)的加熱電流使石英真空管中的工件在設(shè)定溫度區(qū)間脈沖循環(huán)或穩(wěn)定于設(shè)定溫度，氮化溫度范圍是400℃～1200℃；

步驟四、工件達(dá)到預(yù)定溫度或溫度區(qū)間后，控制系統(tǒng)通過控制電磁閥向石英真空管中通入設(shè)定壓力的滲氮氣體介質(zhì)，滲氮介質(zhì)為高純氨氣、氮氣或其他含氮氣體，氣體壓力范圍為-90 kPa～+100 kPa；

步驟五、采用脈沖加氣的方式反復(fù)周期性的充入滲氮介質(zhì)，相鄰加氣間隙進(jìn)行抽真空處理，使石英真空管中的氣體壓力呈矩形脈沖式變化，該矩形脈沖的周期范圍為1min～30min；

步驟六、滲氮處理時間控制在1 min～120 min，滲氮完成后關(guān)閉高頻機(jī)停止對工件進(jìn)行加熱；

步驟七、保持石英真空管中的滲氮介質(zhì)在一定壓力或抽真空狀態(tài)下，將工件溫度降到300℃以下，取出工件，完成氮化處理。

前述方法中，所述需要進(jìn)行滲氮處理的工件材質(zhì)包括且不限于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鈦合金。

前述方法中，所述高頻機(jī)通過感應(yīng)線圈對石英真空管內(nèi)的工件進(jìn)行加熱，通過調(diào)整高頻機(jī)的電流大小實現(xiàn)工件的升溫、降溫與保溫。

前述方法中，所述控制系統(tǒng)通過處理和分析壓力傳感器和紅外測溫儀傳遞信號，并與設(shè)定的壓力、溫度工藝參數(shù)進(jìn)行比較，在線調(diào)整高頻機(jī)的電流大小使工件溫度達(dá)到工藝設(shè)定溫度，在線調(diào)整石英真空管兩端的電磁閥的通斷控制進(jìn)氣與抽氣，使石英真空管內(nèi)的氣體壓力達(dá)到工藝設(shè)定壓力。

根據(jù)上述方法構(gòu)建并用于上述方法的本發(fā)明的一種基于感應(yīng)加熱的雙脈沖快速滲氮裝置，包括高純氨氣或氮氣瓶和高純氬氣瓶；高純氨氣或氮氣瓶和高純氬氣瓶經(jīng)氣體瓶閥門與不銹鋼管路連接，不銹鋼管路經(jīng)電磁閥與石英真空管入口連接，石英真空管出口經(jīng)電磁閥和不銹鋼管路與真空系統(tǒng)連接；石英真空管上纏繞有感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈兩端與高頻機(jī)連接；石英真空管出口端設(shè)有壓力傳感器，石英真空管一側(cè)設(shè)有紅外測溫儀；電磁閥、高頻機(jī)、壓力傳感器和紅外測溫儀均與控制系統(tǒng)電氣連接。

前述裝置中，所述氣體瓶閥門為手動控制閥門或為電控閥門。

前述裝置中，所述紅外測溫儀的光電探頭位于感應(yīng)線圈相鄰兩匝之間的縫隙，并對準(zhǔn)石英真空管內(nèi)工件。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比：首先，傳統(tǒng)的氣體滲氮設(shè)備的熱源大都采用電阻絲加熱的方式，其升溫速度和降溫速度均比較慢，不僅增加了滲氮過程中能耗，也延長了滲氮時間，不利于氣體滲氮的批量化生產(chǎn)。感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可以對形狀復(fù)雜零部件進(jìn)行加熱，可控制加熱深度，可實現(xiàn)局部加熱，易于實現(xiàn)自動控制，作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒有噪聲和灰塵、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。因此，將感應(yīng)加熱應(yīng)用到滲氮過程中，可提高加熱效率，縮短氮化周期。另外，采用在一定溫度范圍內(nèi)的脈沖式加熱，可增強表面原子的振動頻率和幅度，使得表層局部微區(qū)產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，加速氮原子的滲入。

其次，本發(fā)明采用間隙式周期反復(fù)充氣和抽氣，此方法具有以下優(yōu)點：低壓下氮具有較高的氮勢，能產(chǎn)生較多的活性原子，同時狹縫及盲孔內(nèi)的氣氛被強行排出，充氣時又強行加入新鮮氣體，氣體交換可達(dá)到任何與爐氣相通的部位。另一方面，周期交換爐氣，在工件表面的滯留氣薄層迅速遭到破壞，新氣氛產(chǎn)生新的活性原子，加快了活性原子在工件表面的碰撞，使?jié)B入元素在工件表面的吸附速度和反應(yīng)速率得到有效提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為雙脈沖快速滲氮溫度為560℃，壓力為-30 kPa的試樣截面金相組織和硬化層硬度梯度的測試壓痕示意圖；

圖3為雙脈沖快速滲氮處理后試樣及原樣的耐磨曲線圖；

圖4為雙脈沖快速滲氮處理后的EDS元素分析圖。

附圖1中的標(biāo)記為：1-高純氬氣瓶、2-高純氨氣或氮氣瓶、3-氣體瓶閥門、4-不銹鋼氣體管路、5-電磁閥、6-高頻機(jī)、7-感應(yīng)線圈、8-石英真空管、9-壓力傳感器、10-紅外測溫儀、 11-控制系統(tǒng)、12-真空系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不作為對本發(fā)明的任何限制。

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；由圖1可見，本發(fā)明的裝置包括高純氨氣或氮氣瓶2和高純氬氣瓶1；高純氨氣或氮氣瓶2和高純氬氣瓶1經(jīng)氣體瓶閥門3與不銹鋼管路4連接，不銹鋼管路4經(jīng)電磁閥5與石英真空管8入口連接，石英真空管8出口經(jīng)電磁閥5和不銹鋼管路4與真空系統(tǒng)12連接；石英真空管8上纏繞有感應(yīng)線圈7，感應(yīng)線圈7兩端與高頻機(jī)6連接；石英真空管8出口端設(shè)有壓力傳感器9，石英真空管8一側(cè)設(shè)有紅外測溫儀10；電磁閥5、高頻機(jī)6、壓力傳感器9和紅外測溫儀10均與控制系統(tǒng)11電氣連接。氣體瓶閥門3可以手動控制閥門，也可以為電控閥門，當(dāng)氣體瓶閥門3為電控閥門時與控制系統(tǒng)11連接。紅外測溫儀10的光電探頭位于感應(yīng)線圈7相鄰兩匝之間的縫隙，并對準(zhǔn)石英真空管8內(nèi)的工件，以便于精確測量石英真空管8內(nèi)工件的表面溫度。

采用本發(fā)明的裝置進(jìn)行快速滲氮的方法為，該方法通過高頻電源對石英真空管中的工件進(jìn)行快速加熱氮化，采用紅外測溫儀和壓力傳感器分別對石英真空管內(nèi)工件的表面溫度和真空管中滲氮氣體的壓力進(jìn)行監(jiān)測，控制系統(tǒng)通過溫度信號控制工件在設(shè)定溫度區(qū)間脈沖循環(huán)或穩(wěn)定于設(shè)定溫度，通過壓力信號控制管內(nèi)壓力呈矩形脈沖式變化。

具體操作步驟如下：先將需要進(jìn)行滲氮處理的工件表面清洗后放入雙脈沖感應(yīng)滲氮裝置的石英真空管中，然后密封、檢漏后反復(fù)抽真空并通入高純氮氣或氬氣排除石英真空管內(nèi)空氣；對石英真空管抽真空，達(dá)到真空度要求后，開啟高頻機(jī)對石英真空管中的工件進(jìn)行加熱，同時采用紅外測溫儀和壓力傳感器分別對工件的表面溫度和石英真空管中滲氮氣體的壓力進(jìn)行監(jiān)測；將溫度信號和壓力信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過控制高頻機(jī)的加熱電流使石英真空管中的工件在設(shè)定溫度區(qū)間脈沖循環(huán)或穩(wěn)定于設(shè)定溫度，氮化溫度范圍是400℃～1200℃；工件達(dá)到預(yù)定溫度或溫度區(qū)間后，控制系統(tǒng)通過控制電磁閥向石英真空管中通入設(shè)定壓力的滲氮氣體介質(zhì)，滲氮介質(zhì)為高純氨氣、氮氣或其他含氮氣體，氣體壓力范圍為-90 kPa～+100 kPa；采用脈沖加氣的方式反復(fù)周期性的充入滲氮介質(zhì)，相鄰加氣間隙進(jìn)行抽真空處理，使石英真空管中的氣體壓力呈矩形脈沖式變化，該矩形脈沖的周期范圍為1 min～30 min；滲氮處理時間控制在1 min～120 min，滲氮完成后關(guān)閉高頻機(jī)停止對工件進(jìn)行加熱；保持石英真空管中的滲氮介質(zhì)在一定壓力或抽真空狀態(tài)下，將工件溫度降到300℃以下，取出工件，完成氮化處理。需要進(jìn)行滲氮處理的工件材質(zhì)包括且不限于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鈦合金。高頻機(jī)通過感應(yīng)線圈對石英真空管內(nèi)的工件進(jìn)行加熱，通過調(diào)整高頻機(jī)的電流大小實現(xiàn)工件的升溫與保溫。控制系統(tǒng)通過處理和分析壓力傳感器和紅外測溫儀傳遞信號，并與設(shè)定的壓力、溫度工藝參數(shù)進(jìn)行比較，在線調(diào)整高頻機(jī)的電流大小使工件溫度達(dá)到工藝設(shè)定溫度，在線調(diào)整石英真空管兩端的電磁閥的通斷控制進(jìn)氣與抽氣，使石英真空管內(nèi)的氣體壓力達(dá)到工藝設(shè)定壓力。

實施例1：

對38CrMoAl滲氮鋼試樣進(jìn)行滲前預(yù)處理(試樣的整理、清理及活化等)，將經(jīng)過預(yù)處理的試樣裝入石英真空管中，將石英真空管密封，檢漏，通入高純氬氣驅(qū)趕排除真空管內(nèi)空氣，接著對真空管抽真空，達(dá)到真空要求后，開啟高頻機(jī)對真空管中的試樣進(jìn)行加熱，設(shè)定溫度在540℃～570℃之間波動。向石英真空管內(nèi)通入-30 kPa的高純氨氣，保溫10 min后接著抽真空保溫5 min，如此反復(fù)進(jìn)行間歇式周期抽/充氣滲氮處理1 h后，停止高頻機(jī)工作，保持對石英真空管抽真空，防止試樣表面氧化，將石英真空管中的滲氮鋼試樣冷卻至300℃以下，取出滲氮鋼試樣進(jìn)行相關(guān)性能檢測，完成整個雙脈沖快速滲氮工序。

圖2為本實施例1雙脈沖快速滲氮后的試樣截面金相組織、硬化層硬度梯度的測試壓痕以及硬化層硬度梯度曲線。由圖可知，經(jīng)過雙脈沖快速滲氮處理后的試樣表面具有一定深度滲氮層，表面硬度達(dá)到了1200 HV，滲層達(dá)到了150 μm以上。

實施例2：

對38CrMoAl滲氮鋼試樣進(jìn)行滲前預(yù)處理(試樣的整理、清理及活化等)，將經(jīng)過預(yù)處理的試樣裝入石英真空管中，將石英真空管密封，檢漏，通入高純氬氣驅(qū)趕排除真空管內(nèi)空氣，接著對真空管抽真空，達(dá)到真空要求后，開啟高頻機(jī)對真空管中的38CrMoAl滲氮鋼試樣進(jìn)行感應(yīng)加熱。滲氮鋼試樣加熱到設(shè)定溫度560℃后，向石英真空管內(nèi)通入-45 kPa的高純氨氣，保溫10 min后接著抽真空保溫5 min，如此反復(fù)進(jìn)行間歇式周期抽/充氣滲氮處理1 h后，停止高頻機(jī)工作，保持對石英真空管抽真空，防止試樣表面氧化，將石英真空管中的滲氮鋼試樣冷卻至300℃以下，取出滲氮鋼試樣進(jìn)行相關(guān)性能檢測，完成整個真空脈沖快速感應(yīng)滲氮工序。

圖3為本實施例2快速滲氮處理后試樣及原樣的耐磨曲線，由圖可知，經(jīng)本實施例處理后試樣的摩擦系數(shù)明顯小于原樣，耐磨性得到了較大的提高。

實施例3：

對38CrMoAl滲氮鋼試樣進(jìn)行滲前預(yù)處理(試樣的整理、清理及活化等)，將經(jīng)過預(yù)處理的試樣裝入石英真空管中，將石英真空管密封，檢漏，通入高純氬氣驅(qū)趕排除真空管內(nèi)空氣，接著對真空管抽真空，達(dá)到真空要求后，開啟高頻機(jī)對真空管中的試樣進(jìn)行加熱，設(shè)定溫度在540℃～570℃之間波動，向石英真空管內(nèi)通入-60 kPa的高純氨氣，保溫10 min后接著抽真空保溫5 min，如此反復(fù)進(jìn)行間歇式周期抽/充氣滲氮處理1 h后，停止高頻機(jī)工作，保持對石英真空管抽真空，防止試樣表面氧化，將石英真空管中的滲氮鋼試樣冷卻至300℃以下，取出滲氮鋼試樣進(jìn)行相關(guān)檢測，完成整個雙脈沖快速滲氮工序。

圖4為本實施例處理后其滲層截面方向的EDS元素分析結(jié)果，由圖4可知，在滲層外表層上N元素含量很高，并隨著滲層增加N元素隨之減少，滲層約200 μm，表明N元素在氣體感應(yīng)滲氮處理條件下可迅速滲入試樣，達(dá)到快速滲氮的目的。