專利名稱：鋼制品的低溫滲氮方法
技術領域：
本發明涉及金屬和合金的化學一熱處理領域，更準確地說，涉及鋼制品的低溫滲氮方法。
本發明提出的方法可用于處理高速切削鋼，其它高合金鋼及合金的工具。
低溫滲氮方法用于提高鋼和合金制品的耐磨性能和使用壽命，此類鋼和金含在比滲氮溫度高30～50℃的溫度下具有紅硬穩定性。
已知的高速切削鋼工具的低溫滲氮法是將工具放入予熱到560℃的爐中，在連續通入150～155厘米3/小時的增碳劑下持留4～6小時，然后使工具冷卻。
增碳劑是三乙醇胺和含氮添加物的混合物，增碳劑分解產生具有活性的氣氛，使工具的表面層被氮和碳飽和。
在硬度為800～900公斤/厘米2的工具上生成100～130微米的氮碳化物層，使其硬度提高到940～1180公斤/厘米2。氮碳化物具有10～30微米深的氮碳化物和氮化物的ε-和
脆相區，脆性使工具的δ降低25～35%使a降低1.5～2.5倍。(ЖурнаЛ"СТАНКЦ Ц ЦНСГРУМеНТ"№ 10，1979，ОктяδрЬ，Москва，А.Н.Тарасов"улуше-Нце，Характерцстцк Режу
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生成脆相的原因是在滲氮時有空氣存在，后者是在放入工具和添加增碳劑時帶入的。
此方法的特征是提高擴散層的生成速度和增加擴散層深度，但不能阻止ε-和
′相的生成，后者大大降低工具的強度及抗磨性能。
為了減小脆性區對強度性能的影響，必須打磨被處理工具，其打磨深度達30微米，這就大大地增加了工具處理過程的困難。
已知另一鋼制品的低溫滲氮方法(SU，A，840195)是在爐中用含氮有機物料分解產物的氣氛處理鋼制品，有機物料連續通入，流量為0.3～2公斤/小時。過程在480～660℃下進行1～7小時，然后使被處理的制品冷卻。有機物料的組成為90～99.9(質量)%的尿素和0.1～10(質量)%的碳酸胺、過程的本質在于氮和碳擴散飽和制品的表面層，生成氮化物及氮碳化物。實現過程的條件未能防止空氣不斷侵入爐中。由于出現深度為5～15微米的氮碳化物脆性表面區，氧使擴散層的性能變壞。這些脆相區的存在使制品的強度，表面硬度和耐磨性能降低。例如，高速切削鋼工具獲得的氮碳化物層的深度約為40微米，硬度為900～1100公斤/厘米2。ε-
脆相區的深度10微米，使強度降低15～25%，并使工具提前磨損和損壞。
為了實現上述方法需要計量，混合，和添加有機物料的裝置，操作和控制系統，從而使工藝過程復雜化。
本發明的任務是通過選擇合適的含氮有機物料及工藝操作條件制定鋼制品的低溫滲氮方法，此法能保證提高被處理制品的耐磨性能和增加其使用壽命。
解決鋼制品低溫滲氮任務的途徑是在含氮有機物料的氣態分解產物的氣氛中處理鋼制品然后使其冷卻，根據本發明，處理鋼制品是在密閉容器中進行，并采用聚酰胺作含氮有機物料。
依照本方法，初始硬度為780～900公斤/厘米2的鋼制品在2～4小時內可獲得60～90微米深的金屬氮碳化物和氮化物的擴散層，且無ε-和
相區，其硬度為1100～1250公斤/厘米2。這使高速切削鋼工具的穩定度增加2～6倍，高合金鋼零件的使用壽命增加2～10倍。
本方法不需復雜的設備，操作簡單，可靠。
為了在最優條件下實現處理過程，按照計算每公斤被處理制品使用0.3～0.7%的聚酰胺是合理的。
為了在密閉的容器中實施本方法，制品和含氮有機物料-顆粒狀聚酰胺放置于立式爐的筒形容器中。將筒形容器密閉，并將其加熱，至溫度為480～660℃。任指定溫度下恒溫2～4小時，然后使被處理的制品冷卻。可以用任何一種裝置來建立密閉的空間。在密閉容器中進行處理可以避免制品在整個滲氮過程中與外部氣氛，更準確些說，與空氣中的氧接觸，排出氧對等溫反應的影響。
根據自由基團機理，在筒狀容器加熱時聚酰胺逐步發生分解，生成具有高活性的基團。制品的表面層被氮和碳擴散飽和，生成金屬氮化物和碳氮化物。密閉的筒狀容器中留存的氧與聚酰胺的分解產物相結合，從而不生成脆性的碳氮化物和氮化物的ε-和
相。為了獲得高質量的擴散層，依據過程的最優操作條件選擇聚酰胺的添加量。根據計算，處理1公斤制品宜于使用0.3～0.7%的聚酰胺。下限是由碳氮化物的生成速度和其深度決定，而上限則是為了防止在制品上生成樹脂狀物質而確定的。
在密閉容器中應用高分子聚酰胺對鋼制品進行低溫滲氮可以得到高質量的，耐磨的碳氮化物的表面擴散層，并不生成脆性的ε-和
相，這就排出了打磨和光制工序的必要性，過程進行的速度高，抗磨層厚，硬度大并且幾乎不減少制品的強度，這對高速切削鋼的工具特別重要。提高制品的穩定性可以降低含鎢鋼的耗量，并能在很多情況下提高刀具的切削速度。下面列舉實現本方法的具體實例。
實例1將重量為4公斤的高速切削鋼車刀和重量為1公斤的高合金鋼“供料輥”零件以及1.5·10公斤聚亞己基己二酰胺加入不銹鋼筒狀容器，后者的容積為4·10米，置于立式爐中。將筒狀容器密閉，加熱至570±10℃，等溫過程持續3小時。關閉立式爐，并使制品冷卻。在制好的磨片上分析制品的顯微結構。車刀上的擴散層深度為70微米，輥上的擴散層深度為80微米，車刀硬度為1150～1250公斤/厘米2，供料輥硬度為900～950公斤/厘米2，未發現ε-和
脆相區。
“供料輥”零件用在自動焊機上拉伸不銹鋼絲。判斷輥的使用壽命的標準是磨出溝槽的深度為0.2毫米，在此深度下輥開始打滑。按照SU，A，840195處理的輥的使用壽命為24小時，而按照本實例的方法處理的輥的使用壽命為146小時。在切削深度t＝2毫米，進刀S＝0.25毫米/轉，切削速度v＝46米/分，車刀幾何尺寸φ＝90°，φ1＝10°，φ＝10°，x＝x1＝10°，φ＝0.4毫米的條件下，在自動車床上用兩種車刀切削結構鋼另件進行對比試驗。按照SU，A，840195處理的車刀加工了188個另件，而按照本實例的方法處理的車刀加工了518個零件。判斷持久性的標準是保持被加工零件的尺寸參數。
實例2將3公斤高速切削鋼銑刀，0.5公斤高合金鋼“供料輥”零件及1.4·10-2公斤聚庚酰胺放入不銹鋼筒狀容器中，后者的容積為4·10-3米3，置于立式爐中。將筒狀容器密閉，加熱到490±10℃，等溫過程持續4小時。關閉立式爐并使制品冷卻。在轉變好的小磨片上對制品進行顯微結構分析。銑刀上的擴散層深度為25微米，輥上擴散層深度為35微米，銑刀的硬度為1150～1200公斤/厘米2，輥的硬度為900～950公斤/厘米2。未發現ε-和
脆相區。“供料輥”零件用在自動焊機上拉伸不銹鋼絲。磨出溝槽的深度等于0.2毫米時，┝瞎醴⑸蚧源俗魑斜鴯跏褂檬倜謀曜肌０湊誗U，A，840195的方法處理的輥的使用壽命為24小時，而按本實例的方法處理的輥的使用壽命為48小時。用端面銑刀對D＝24毫米的結構鋼零件在切削深度t＝4毫米，進刀s＝0.1毫米/齒，和切銑速度v＝64毫米條件下進行持久性的對比試驗。按照SU，A，840195處理的銑刀能加工86個零件，而按照本實例處理的銑刀能加工212個零件。判斷持久性的標準是保持被加工零件的尺寸參數。
實例3將2公斤高速切削鋼鉆頭，4公斤高合金鋼沖模的沖頭及3·10-2公斤聚癸酰胺放入不銹鋼筒狀容器，后者的容積為4·10-3米3，置于立式爐中。將筒狀容器密閉，加熱至660±10℃，等溫過程持續2小時。關閉立式爐，使制品冷卻。在制好的磨片上分析制品的顯微結構。鉆頭上擴散層深度為50微米，沖頭上擴散層深度為60微米，鉆頭硬度為1050～1150公斤/厘米2，沖頭的硬度為850～900公斤/厘米2。未發現ε-和
脆相區。
按照SU，A，84195處理的平壓切斷和彎曲切斷沖頭能加工2600個“角型零件”，而按照本實例處理的沖頭能加工11250個零件。按照本實例方法處理的10毫米鉆頭的持久性比按照SU，A，840195處理的鉆頭的持久性高3倍，持久性是在對厚度為4毫米的不銹鋼板鉆孔時得出的。
實例4將重量為0.5公斤高速切削鋼銑刀，重量為1.5公斤的高合金鋼沖模的沖頭及1.4·10-2公斤聚丙烯酰胺加入不銹鋼筒狀容器，后者容積為4·10米，置于立式爐中。將筒狀容器密閉、加熱至660±10℃，等溫過程持續2.5小時。關閉立式爐并使制品冷卻。在準備好的小磨片上對制品進行顯微結構分析，銑刀上擴散層深度為40微米，沖頭上擴散層深度為50微米，銑刀的硬度為1050～1150公斤/厘米2，沖頭硬度為850～900公斤/厘米2。未發現ε-和
脆相區。用端面銑刀在切削深度t＝2毫米，進刀s＝0.1毫米/齒及切削速度v＝56米/分的條件下切削D18的低合金鋼零件進行持久性對比試驗。按照SU，A，840195處理的銑刀加工了52個零件，而按本實例方法處理過的銑刀加工了118個零件，持久的標準是保持被加工零件的尺寸參數及被加工表面的光潔度。
實例5將2.5公斤高速切削鋼車刀，0.5公斤高合金鋼“供料輥”零件和1.8·10-2公斤nonunuppoмидон加入不銹鋼筒狀容器，后者容積為4·10-3米3，置于立式爐中。將筒狀容器密閉，加熱至540±10℃，等溫過程持續3.5小時。關閉立式爐并使制品冷卻。在準備好的磨片上對制品進行顯微結構分析。車刀上擴散層深度為80微米，供料輥上擴散層深度為85微米，車刀的硬度為1150～1250公斤/厘米2，輥的硬度為900～950公斤/厘米2，未發現ε-和
脆相區。
“供料輥”零件用在自動焊機上拉伸不銹鋼絲。判斷輥的使用壽命的標準是磨出的溝槽深度為0.2毫米，在這個深度輥開始打滑。按SU，A，840195的方法處理的輥的使用壽命為24小時，而按照本實例處理的輥的使用壽命為158小時。用車刀在自動車床上在切削深度t＝3毫米，進刀s＝0.18毫米/轉，切削速度v＝58米/分，車刀幾何參數φ＝45°，φ1＝45°，
＝10°，x＝x1＝10°，
＝0.1毫米的條件下進行持久性對比試驗。按照SU，A，840195方法處理的車刀加工了130個零件，而按照本實例的方法處理的車刀加工了620個零件。判斷持久性的標準是保持被加工零件的尺寸參數。
實例6(參比試驗)將自動車床的車刀，直徑為D18毫米和D24毫米的銑刀，直徑為D10毫米的高速切削鋼鉆頭，平壓切斷及彎曲切斷沖頭以及高合金鋼自動焊機用“供料輥”加入立式爐中，后者是為進行SU，A，840195規定的方法而安裝的。制品總重量為20公斤。在570±10℃溫度下，滲氮過程持續6小時，其間以2公斤/小時的恒定流量鼓入95%尿素和5%碳酸銨的混合物，然后使制品冷卻。
用準備好的磨片進行顯微結構分析。高速切削鋼的工具上擴散層深度為40微米，輥及沖頭上的擴散層深度為50微米。高速切削鋼工俱具的硬度為1000～1100公斤/厘米2，輥及沖頭的硬度為850～890公斤/厘米2，ε和 7‘脆相區為10～15微米。
權利要求
1.鋼制品用含氮有機物料的氣態分解產物處理，然后冷卻的低溫滲氮方法，其特征在于，過程在密閉容器中進行，并用聚酰胺作含氮有機物料。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，聚酰胺的用量按每公斤制品的0.3～0.7%計算。
全文摘要
鋼制品的低溫滲氮方法是在密閉容器中用含氮物料—聚酰胺的氣態產物氣氛處理鋼制品。
文檔編號C23C8/32GK1032036SQ8710644
公開日1989年3月29日 申請日期1987年9月18日 優先權日1981年5月8日
發明者丹尼爾·伯里索維奇·格羅迪斯基, 伯里斯·施利科維奇·哈丁, 拉法爾·阿基莫維奇·維楚克 申請人:丹尼爾·伯里索維奇·格羅迪斯基, 伯里斯·施利科維奇·哈丁, 拉法爾·阿基莫維奇·維楚克