一种合金表层的渗氮强化方法、表层渗氮合金及其应用
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411025841.8 | 申请日 | 2024-07-29 |
| 公开(公告)号 | CN118957485A | 公开(公告)日 | 2024-11-15 |
| 申请人 | 上海大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 余建波; 韩伟豪; 张海南; 董莹; 张小新; 任忠鸣; | 第一发明人 | 余建波 |
| 权利人 | 上海大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 上海大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：上海市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：上海市宝山区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：上海市宝山区上大路99号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：200444 |
| 主IPC国际分类 | C23C8/24 | 所有IPC国际分类 | C23C8/24 ; C23C8/26 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京方圆嘉禾知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 朱玲艳; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 合金 表层的渗氮强化方法、表层渗氮合金及其应用，涉及合金表面强化技术领域。本发明提供的合金表层的渗氮强化方法，包括以下步骤：将合金基材在氮气氛围下采用等离子弧进行熔融渗氮，在所述合金基材表面得到渗氮层；所述渗氮层的厚度≥2mm；所述等离子弧的参数包括：等离子气为氩气，等离子枪气流量为5～15L/min； 电流 为120～180A，等离子弧移动速度为2～4s/cm2。本发明以 等离子体 作为热源，瞬间释放高温，使合金基材表层 熔化 ；且等离子弧 能量 高，氮分子吸收热量后内能增加，瞬间解离为氮 原子 ，在熔体中扩散系数增加，使氮原子融进熔体中，在合金基材表面实现高效渗氮。 | ||
| 权利要求 | 1.一种合金表层的渗氮强化方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种合金表层的渗氮强化方法、表层渗氮合金及其应用技术领域[0001] 本发明属于合金表面强化技术领域，具体涉及一种合金表层的渗氮强化方法、表层渗氮合金及其应用。 背景技术[0002] 随着科技和经济的快速发展，钢材在高温、高速、重载的苛刻环境下服役，钢材质量对机械装备的性能、寿命和可靠性有决定性的影响。改善钢材表面硬度、抗疲劳及耐腐蚀性能，延长钢材服役寿命，是目前钢材重点研究的方向和目标。以及钢材生产及加工过程所造成的具有表面裂痕、凹坑、刮痕等缺陷的钢材，也需要通过表面强化技术进行修复并进一步增强钢材表面质量。 [0003] 为解决钢材表面质量问题，提高钢材表面硬度和强度，对钢材常采用表面渗氮、渗碳或表面镀膜的方式对钢的表面进行强化处理。其中，表面渗氮工艺通过氮原子固溶于钢基材，引发晶格畸变，提高钢的强度，细小弥散的含氮析出物能细化晶粒，阻碍位错迁移，起到析出强化的作用。目前常用的表面渗氮方法为氮化炉气体渗氮和辉光放电离子渗氮，上述两种渗氮工艺，氮在钢中扩散系数低，导致渗氮层较薄(一般为200μm左右)，渗氮过程中极大可能会造成试样表面白亮层的产生，导致渗氮层脆性增加，钢材使用过程中表面硬度、耐磨性和疲劳强度下降，无法满足钢材在较为苛刻条件下应用的表面需求。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种合金表层的渗氮强化方法、表层渗氮合金及其应用，本发明采用等离子弧进行熔融渗氮，在合金基材表面得到厚度≥2mm的渗氮层，不会产生表面白亮层，且渗氮强化后的合金基材具有优异的硬度、耐磨性和疲劳强度。 [0005] 为了实现本发明的目的，本发明提供了以下技术方案： [0006] 一种合金表层的渗氮强化方法，包括以下步骤： [0007] 将合金基材在氮气氛围下采用等离子弧进行熔融渗氮，在所述合金基材表面得到渗氮层；所述渗氮层的厚度≥2mm； [0009] 优选地，所述氮气氛围的压力为0.07～0.1MPa；所述氮气氛围通过通入氮气获得，通入氮气的充入流量为5～8L/min。 [0010] 优选地，所述通入氮气前进行真空；所述真空的真空度为1×10‑3～3×10‑3Pa。 [0011] 优选地，所述合金基材包括钢材或钛合金。 [0012] 优选地，所述渗氮层的厚度为2.0～3.0mm。 [0013] 优选地，还包括：所述熔融渗氮前将合金基材依次进行打磨和清洗。 [0014] 本发明还提供了一种表层渗氮合金，包括合金基材和设置于所述合金基材表面的渗氮层；所述渗氮层的厚度为≥2mm；所述渗氮层由上述技术方案所述渗氮强化方法制备得到。 [0015] 优选地，所述表层渗氮合金中氮的质量含量为0.15～0.5％。 [0016] 本发明还提供了上述技术方案所述表层渗氮合金在汽车制造或航空航天材料中的应用。 [0017] 本发明提供了一种合金表层的渗氮强化方法，包括以下步骤：将合金基材在真空氛围和氮气氛围下采用等离子弧进行熔融渗氮，在所述合金基材表面得到渗氮层；所述渗氮层的厚度为≥2mm；所述等离子弧的参数包括：等离子气为氩气，等离子枪气流量为5～2 15L/min；电流为120～180A，等离子弧移动速度为2～4s/cm 。本发明等离子弧进行熔融渗氮是以等离子体作为热源，瞬间释放高温(4000～6000℃)，使合金基材表层熔化，且由于等 2 离子弧能量高(等离子弧的能量密度通常为1000～100000W/cm)，氮分子吸收热量后内能增加，瞬间解离为氮原子，在熔体中扩散系数增加，使氮原子融进熔体中，合金基材表层凝固后氮的浓度远远大于热力学的氮饱和度，在合金基材表面实现高效渗氮。由本发明实施例结果可知，本发明合金基材表面的渗氮层的厚度为≥2mm，有效提高了合金基材表面硬度和抗疲劳性能，延长合金基材使用寿命，增强合金基材使用过程中稳定性，满足合金基材在高温、高速、重载等严苛环境下使用要求。 附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0019] 图1为等离子炉结构图； [0020] 图2为本发明合金表层的渗氮强化方法示意图； [0021] 图3为本发明实施例1合金表层的渗氮强化方法流程图； [0022] 图4为本发明实施例1合金表层的渗氮强化方法和氮化炉气体渗氮、辉光放电离子渗氮的效果对比图。 具体实施方式[0023] 本发明提供了一种合金表层的渗氮强化方法，包括以下步骤： [0024] 将合金基材氮气氛围下采用等离子弧进行熔融渗氮，在所述合金基材表面得到渗氮层；所述渗氮层的厚度≥2mm； [0025] 所述等离子弧的参数包括：等离子气为氩气，等离子枪气流量为5～15L/min；电流2 为120～180A，等离子弧移动速度为2～4s/cm。 [0026] 在本发明中，若无特殊说明，所有原料均优选为本领域技术人员熟知的市售产品。 [0027] 在本发明中，所述合金基材优选包括钢材或钛合金，更优选为钢材；所述钢材包括高品质钢或普碳钢；所述高品质钢优选为M50轴承钢或440C钢；所述高品质钢中氮的质量含量优选为0.005～0.10％，更优选为0.0073～0.0082％。 [0028] 在本发明中，所述氮气氛围的压力优选为0.07～0.1MPa，更优选为0.08～0.09MPa；所述氮气氛围中氮气的充入流量优选为5～8L/min，更优选为6～7L/min。 [0029] 在本发明中，所述熔融渗氮前优选进行真空；所述真空的真空度优选为1×10‑3～3‑3 ‑3×10 Pa，更优选为2×10 Pa；所述真空的方式优选包括：使用机械泵至炉内真空度＜‑3 300Pa后，启动罗茨泵，真空度降低至1Pa后，再启动扩散泵，直至炉内真空度为1×10 ～3×‑3 10 Pa。 [0030] 在本发明中，所述等离子弧的参数包括：等离子气为氩气，等离子枪气流量为5～15L/min，优选为10～12L/min；电流为120～180A，优选为140～160A；等离子弧移动速度为2 2 2 ～4s/cm，优选为3s/cm。 [0032] 本发明等离子弧进行熔融渗氮是以等离子体作为热源，瞬间释放高温(4000～6000℃)，使合金基材表层熔化，且由于等离子弧能量高(等离子弧的能量密度通常为1000 2 ～100000W/cm)，氮分子吸收热量后内能增加，等离子炉内氮分子瞬间解离为氮原子，在熔体中扩散系数增加，使氮原子融进熔体中，合金基材表层凝固后氮的浓度远远大于热力学的氮饱和度，在合金基材表面实现高效渗氮。与碳元素相比，氮元素更易在合金熔体中与Cr、Mo、V优先结合以固溶体形式存在于钢中，或生成细小弥散的碳氮复合析出物在钢中均匀分布，从而抑制钢液凝固过程中大尺寸、不规则且聚集存在的碳化物形成，如钢材熔氮过程中氮元素和碳元素固溶强化、钢中析出物发生转变，钢材表层熔融渗氮后冷却梯度较大，钢材中组织向马氏体转变，熔融渗氮层和钢材结合力强；且由于等离子弧溶氮完成后快速再凝固，扫描电镜下观察发现渗氮层中碳化物基本消失，渗氮层与基材之间存在明显分层，可大幅度增强基材表面硬度和抗疲劳性能，延长高品质钢使用寿命。 [0033] 本发明还提供了一种表层渗氮合金，包括合金基材和设置于所述合金基材表层的渗氮层；所述渗氮层由上述技术方案所述渗氮强化方法制备得到。 [0034] 在本发明中，所述渗氮层的物相组成优选包括Fe2N、Fe3N和FeN0.076相；所述渗氮层的厚度≥2mm，优选为2.44～2.51mm，更优选为2.48mm；所述表层渗氮合金中氮的质量含量优选为0.15～0.5％，更优选为0.159～0.416％，进一步优选为0.192～0.273％。 [0035] 本发明还提供了上述技术方案所述表层渗氮合金在汽车制造或航空航天材料中的应用。 [0036] 为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种合金表层的渗氮强化方法、表层渗氮合金及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。 [0037] 实施例1 [0038] 将M50轴承钢(氮含量为0.0073％)利用线切割加工成尺寸为200×150×15mm的试样，试样表面经砂纸打磨，依次采用无水乙醇和丙酮清洗后置于图1所示等离子炉中； [0039] 按照图2所述示意图和图3所述流程图对合金表层进行渗氮强化，具体步骤为： [0040] 等离子炉内真空和氮气氛围准备：真空系统为三级泵：机械泵、罗兹泵、扩散泵；首先启动机械泵，待炉内真空度小于300Pa后，启动罗茨泵，真空度继续降低至1Pa后，再启动‑3扩散泵，直至炉内真空度达到3×10 Pa；真空准备结束后，炉内以流量为5L/min充入高纯氮气，至炉内压力达到0.0.08MPa； [0041] 采用等离子弧进行熔融渗氮，设置等离子弧参数为：氩等离子枪气为10L/min，等2 离子弧移动速度为2s/cm，电流分别为120A、140A和160A。 [0042] 对实施例1表层渗氮的M50轴承钢的性能进行测试，其中磨损测试的环境为350℃高温磨损，腐蚀性能测试的环境为在3.5％NaCl溶液中进行电化学测试，测试结果如表1所示。 [0043] 表1实施例1表层渗氮钢材性能测试结果 [0044] [0045] 由表1结果可知，采用本发明等离子弧渗氮后轴承钢表层氮含量有所提升，渗氮层厚度为2.44～2.51mm。力学性能方面，原始M50轴承钢硬度为241HV0.02，不同电流下渗氮后，分别提升至738HV0.02、778HV0.02和759HV0.02，渗氮层表面至基材硬度整体呈梯度下降，140A电流渗氮后轴承钢表面及次表面硬度强化效果最为显著；与原始轴承钢试样相比，随着轴承钢表层氮含量增加，平均磨损系数分别降低约7％、16％、32％，磨损体积分别降低约44％、53％、69％，体积磨损率分别降低约47％、56％、70％。腐蚀电位分别提升13％、18％、35％，腐蚀电流密度，分别降低25％、29％、35％。 [0046] 图4为本发明实施了1合金表层的渗氮强化方法和氮化炉气体渗氮、辉光放电离子渗氮的效果对比图，由图4可知，与氮化炉气体渗氮和辉光放电离子渗氮相比本发明中合金表层的渗氮强化方法的厚度和次表面强化距离大幅度增加，具有更优的渗氮效果。 [0047] 实施例2 [0048] 将440C钢(氮含量为0.0082％)利用线切割加工成尺寸为200×150×15mm的试样，试样表面经砂纸打磨，依次采用无水乙醇和丙酮清洗后置于等离子炉中； [0049] 等离子炉内真空和氮气氛围准备：真空系统为三级泵：机械泵、罗兹泵、扩散泵；首先启动机械泵，待炉内真空度小于300Pa后，启动罗茨泵，真空度继续降低至1Pa后，再启动‑3扩散泵，直至炉内真空度达到3×10 Pa；真空准备结束后，炉内以流量为5L/min充入高纯氮气，至炉内压力达到0.0.08MPa； [0050] 采用等离子弧进行熔融渗氮，设置等离子弧参数为：氩等离子枪气为10L/min，电2 流分别为120A、140A和160A，等离子弧移动速度为2s/cm。 [0051] 对实施例2表层渗氮的M50轴承钢的性能进行测试，测试结果如表2所示。 [0052] 表2实施例2表层渗氮钢材性能测试结果 [0053] [0054] 由表2结果可知，经120A、140A、160A不同等离子弧电流渗氮后，440C钢表层氮含量分别提升至0.152％、0.155％、0.192％。力学性能方面，原始440C钢硬度为223HV0.02，不同参数下渗氮后，分别提升至457HV0.02、515HV0.02和546HV0.02，渗氮层表面至基材硬度在1～3mm范围内整体呈梯度下降，160A电流渗氮后试样表面及次表面硬度强化效果最为显著。 [0055] 尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。 |
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