一種采用氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及材料表面處理領(lǐng)域，具體為一種采用氮弧和氮化物原位冶金增氮實(shí)現(xiàn) 鋼表面快速高氮鋼化的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 常用表面的增氮方法有氣體滲氮和離子滲氮。
[0003] 氣體滲氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮)或多段(二段、Ξ段)滲氮法。前者是在 整個(gè)滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480~520°C之間，氨氣分解 率為15~30%，保溫時(shí)間近80小時(shí)。運(yùn)種工藝適用于滲層淺、崎變要求嚴(yán)、硬度要求高的零 件，但處理時(shí)間過長。多段滲氮是在整個(gè)滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨 分解率、不同時(shí)間進(jìn)行滲氮和擴(kuò)散。整個(gè)滲氮時(shí)間可W縮短到近50小時(shí)，能獲得較深的滲 層，但運(yùn)樣滲氮溫度較高，崎變較大。
[0004] 離子滲氮是利用輝光放電原理進(jìn)行的。與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮其特點(diǎn) 是:①可適當(dāng)縮短滲氮周期;②滲氮層脆性小;③可節(jié)約能源和氨的消耗量;④對(duì)不需要滲 氮的部分可屏蔽起來，實(shí)現(xiàn)局部滲氮;⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面純化 膜，可使不誘鋼、耐熱鋼工件直接滲氮;⑥滲層厚度和組織可W控制。但是其設(shè)備控制復(fù)雜， 爐溫的均勻性不好。
[0005] 綜上可知，常用的運(yùn)兩種滲氮方法，滲氮前需要預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)和預(yù)備熱處理去 應(yīng)力處理，同時(shí)滲氮零件的表面粗糖度Ra應(yīng)小于1.6um等等限制。滲氮處理工藝的周期長、 滲氮層薄、溫度控制要求嚴(yán)、對(duì)零件的表面預(yù)處理要求嚴(yán)格、設(shè)備控制復(fù)雜。兩種氣體滲氮 方法都需要在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，且耗時(shí)長，滲氮層薄、增氮量低、增氮層成分不可調(diào)。
[0006] 對(duì)于其他表面處理技術(shù)，如傳統(tǒng)熱噴涂、噴焊W及堆焊也可用于材料表面的增氮 處理。表面熱噴涂增氮法屬于氮化物陶瓷噴涂技術(shù)，并不是冶金結(jié)合，同時(shí)熱噴涂法對(duì)基材 表面的預(yù)處理要求比較高，需要進(jìn)行粗化處理，且對(duì)噴涂粉的顆粒直徑要求比較高。
[0007] 傳統(tǒng)的噴焊技術(shù)可W使粉末或焊絲，能夠與母材形成冶金結(jié)合，但是噴焊層的稀 釋率高，一般約5%~10%，且需要預(yù)熱處理，噴焊材料的烙點(diǎn)要求比基體烙點(diǎn)低，同時(shí)，在 噴焊過程中，噴焊的高氮層的成分不可調(diào)。堆焊一般用焊絲，堆焊層成分只能是焊絲成分， 堆焊層成分不可設(shè)計(jì)，即用堆焊方法對(duì)鋼表面進(jìn)行增氮處理，所獲得的增氮層的成分不可 設(shè)計(jì)。
[000引中國專利（201310398151.2)公開了一種使用高速氧燃料熱噴涂和等離子滲氮用 于模具補(bǔ)整和修復(fù)的方法及系統(tǒng)。所獲得的增氮層成分不可設(shè)計(jì)、厚度薄，且對(duì)合金粉末顆 粒直徑要求嚴(yán)格。中國專利(201110309131.4)設(shè)及一種基于零件再制造修復(fù)的反應(yīng)氮弧烙 覆耐磨涂層制備工藝。將調(diào)制的漿料涂覆在零件表面烘干后，用氮弧烙敷，漿料中不含氮元 素，僅靠氮弧增氮效果不明顯，且烘干需要時(shí)間，若沒有完全烘干可能會(huì)引起氨致裂紋。而 本發(fā)明直接將氮化物合金粉末鋪設(shè)在待處理的鋼表面上，采用氮弧原位冶金，不需要增加 烘干工藝，且采用了氮化物和氮弧聯(lián)合增氮技術(shù)，增氮效果明顯且耗時(shí)短。中國專利 (201310650075.x)公開了一種用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法，具體為通過真空 凈化充高壓氮?dú)鈼l件用等離子弧加氮烙煉鋼巧，需要加真空，制備條件苛刻，且最終的增氮 量低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供了一種采用氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的裝 置及其方法。
[0010] -種采用氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的裝置，包括：
[0011] -非烙化極氣體保護(hù)焊槍；
[0012] -雙通同軸氣粉傳送裝置，其內(nèi)設(shè)有與非烙化極氣體保護(hù)焊槍同軸的螺旋氣粉 罩，螺旋氣粉罩內(nèi)開有與非烙化極氣體保護(hù)焊槍緊固連接的螺紋；
[0013] 氣粉同軸傳送裝置內(nèi)、螺旋氣粉罩外設(shè)有與螺旋氣粉罩外壁相切的兩個(gè)送粉送氣 通道；
[0014] 所述的送粉送氣通道分別開有送氣口與送粉口；所述的螺旋氣粉罩的內(nèi)壁開有螺 旋氣粉槽。
[0015] 螺旋氣粉槽為變螺線-變螺距-變截面結(jié)構(gòu)，螺旋氣粉槽包括雙螺旋槽、大截面單 螺旋槽、小截面單螺旋槽，所述的槽為半圓槽;螺旋氣粉槽頂端靠近氣粉通道入口處為雙螺 旋結(jié)構(gòu)的雙螺旋槽，槽直徑為4mm~7mm，且所述的雙螺旋結(jié)構(gòu)至少有Ξ圈；
[0016] 兩個(gè)氣粉通道連通兩相鄰的雙螺旋槽；
[0017] 與雙螺旋槽相連的為大截面單螺旋槽，槽直徑為7mm~12mm;槽寬增大W保證氮化 物合金粉末與鐵粉充分混合均勻，與大截面單螺旋槽相連的為小截面單螺旋槽，槽直徑為 4mm ~7mm。
[0018] 螺旋氣粉槽從頂部到底部，其螺紋升角逐漸趨于平角，螺旋氣粉槽螺紋升角為0° ~60%螺旋氣粉槽在螺旋氣粉罩出口的螺紋升角為0°~5°。
[0019] 螺旋氣粉罩采用耐熱材料SiC陶瓷制造。
[0020] 如上所述的送粉口和送氣口上分別裝有送粉調(diào)速器和氣體流量計(jì)。
[0021] 如上所述的螺旋氣粉罩的氣粉出口呈縮頸狀，且縮頸面的延長線指向電弧中屯、。
[0022] 如上所述的非烙化極氣體保護(hù)焊槍外側(cè)用SiC陶瓷制造隔熱材料包裹，所述的非 烙化極氣體保護(hù)焊槍，其外側(cè)上部加工的螺紋長度至少為其直徑的兩倍。
[0023] 本發(fā)明還提供一種采用氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的方法，包括步驟 如下：
[0024] 步驟1，通過目標(biāo)高氮鋼層的目標(biāo)合金成分，確定鐵元素含量聽e% ;確定鐵粉作為 第一送氣送粉通道的送粉原料；
[0025] 根據(jù)目標(biāo)高氮鋼層的目標(biāo)合金成分，確定第二送氣送粉通道的送粉原料，合金粉 末中合金元素 i的含量Wif %比，經(jīng)修正關(guān)系式Wif修正％ a Wif % X (1+μL+ξ)修正后得到粉末 中合金元素 i含量的修正值Wif修正％ ;其中μL為燒損系數(shù)，μL = 0.2%~5%，ξ為散射飛瓣損 失系數(shù)，ξ = 2%~8%;所述的第二送氣送粉通道的送粉原料的合金粉末中的合金元素 i不 為鐵。
[0026] 步驟2,根據(jù)目標(biāo)高氮鋼中除鐵元素之外的合金元素 i的含量Wi%與鐵元素含量的 關(guān)系式^?^"/|，：!心％ = 0:公得到所有合金元素與鐵元素的成分比〇:0;確定送入烙池的合 金粉末質(zhì)量味與鐵粉的質(zhì)量唯?比為α: β，設(shè)進(jìn)入烙池中的合金粉末質(zhì)量1?途I妹=Vf X Δ t，設(shè)進(jìn)入烙池的鐵粉質(zhì)量唯自粉二VFe X Δ t，其中Vf為合金粉末送粉速率，單位為g/min ; VFe為 添加鐵粉速率，單位為g/min; Δ t為時(shí)間，單位為min;
[0027] 步驟3,根據(jù)公式妹:雌?=(Vf X Δ t): (VFeX A t)=a:0，確定合金粉末送粉速 率Vf與添加鐵粉速率VFe參數(shù)匹配關(guān)系，Vf : VFe = α : β ;
[0028] 步驟4,選取合適的焊接電流大小I為80Α~200Α;選取添加鐵粉速率VFe為20g/min ~150g/min;通過公式Vf: VFe = α: β，確定合金粉末送粉速率Vf;
[0029] 步驟5,啟動(dòng)焊接裝置，調(diào)整焊槍到的所需處理鋼的表面距離8-15mm，采用焊接電 流I，合金粉末送粉速率Vf，送氣速率為V氣1，添加鐵粉速率VFe，送氣速率為V氣2，在非烙化極 氣體保護(hù)焊槍通過10%Ar和90%化混合氣，調(diào)節(jié)其速率為V氣，進(jìn)行焊接，對(duì)鋼表面進(jìn)行原位 冶金增氮處理。
[0030] 進(jìn)一步的，焊接速率V為3~16mm/min，。
[003。 進(jìn)一步的，送氣速率為V氣1，送氣速率為V氣2;送氣速率為V氣3,滿足V氣1 - V氣2 - V氣3 = 15~40L/min。
[0032] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 1、本發(fā)明提供的方法可W在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮并高氮鋼化，獲得的增氮層 厚度可達(dá)幾毫米甚至厘米級(jí)，且增氮層成分可設(shè)計(jì)；
[0034] 2、本發(fā)明提供的裝置在雙通同軸螺旋氣粉罩靠近氣粉通道口處的螺旋槽為雙螺 旋結(jié)構(gòu)，可有效防止粉末堵塞通道口；中部大截面單螺旋結(jié)構(gòu)槽有助于兩種氣粉流的充分 混合;變螺距、變螺旋升角有助于氣粉流的均勻混合。
[0035] 3、本發(fā)明提供的方法不僅實(shí)現(xiàn)了鋼表面增氮效果，還可W添加其他有益合金元 素，實(shí)現(xiàn)鋼表面高氮鋼化，所獲得的增氮層具有良好的高強(qiáng)耐蝕性能。獲得的增氮層與鋼基 體之間是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。
[0036] 4、本發(fā)明采用氮弧和氮化物合金聯(lián)合原位冶金增氮技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，可W通過調(diào) 節(jié)電流大小和焊槍移動(dòng)速度靈活調(diào)節(jié)增氮層厚度。對(duì)不需增氮的地方也不需要采取保護(hù)措 施，可實(shí)現(xiàn)局部增氮。
【附圖說明】
[0037] 圖1為氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮裝置的示意圖；
[0038] 圖2為雙通同軸螺旋氣粉罩的縱向剖視圖；
[0039] 圖3為氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮裝置的截面A-A的剖視圖；
[0040] 其中，1為第一送氣口，2第一送粉口，3為雙通同軸螺旋氣粉罩，4第二送氣口，5為 第二送粉口，6為螺旋氣粉槽，7為非烙化極氣體保護(hù)焊槍；
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種采用氮弧和氮化物復(fù)合原位冶 金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的方法進(jìn)一步描述。
[0042] 本發(fā)明采用氮弧和氮化物原位冶金實(shí)現(xiàn)鋼表面增氮的裝置，包括：
[0043] -非烙化極氣體保護(hù)焊槍7 ;
[0044] -雙通同軸傳送裝置，其內(nèi)設(shè)有與非烙化極氣體保護(hù)焊槍3同軸的螺旋氣粉罩3， 螺旋氣粉罩3內(nèi)開有與非烙化極氣體保護(hù)焊槍7緊固連接的螺紋；