一种基于感应加热的双脉冲快速渗氮方法及装置与流程

本发明涉及一种基于感应加热的双脉冲快速渗氮方法及装置，属于金属快速渗氮表面强化技术领域。

背景技术：

低碳钢、低合金钢、不锈钢以及钛合金等结构材料均不同程度地存在硬度低，耐磨性差等缺点。为扩大这些金属的应用范围，提高其表面性能，常常对其采用渗氮强化处理。目前常见的渗氮方法有气体渗氮、离子氮化、等离子氮化，激光气体渗氮等。但这些渗氮技术还存在诸如时间长、工件易氧化、操作复杂、实验设备昂贵、渗层薄、表面粗糙度高、均匀性差、组织缺陷多、结合强度低、难以对盲孔部分进行处理、对几何形状有一定要求等问题。目前虽然与出现了真空脉冲气体渗氮技术，但其仍然存在效率低、渗层薄的问题。

传统的气体渗氮设备的热源大都采用电阻丝加热的方式，其升温速度和降温速度均比较慢，不仅增加了渗氮过程中能耗，也延长了渗氮时间，不利于气体渗氮的批量化生产。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种简单便捷、质量稳定、成本低、周期短的基于感应加热的双脉冲快速渗氮方法及装置，以克服传统气体渗氮的缺陷，从而克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的一种基于感应加热的双脉冲快速渗氮方法为，该方法通过高频电源对石英真空管中的工件进行快速加热氮化，采用红外测温仪和压力传感器分别对石英真空管内工件的表面温度和真空管中渗氮气体的压力进行监测，控制系统通过温度信号控制工件在设定温度区间脉冲循环或稳定于设定温度，通过压力信号控制管内压力呈矩形脉冲式变化；具体操作步骤如下：

步骤一、先将需要进行渗氮处理的工件表面清洗后放入双脉冲感应渗氮装置的石英真空管中，然后密封、检漏后反复抽真空并通入高纯氮气或氩气排除石英真空管内空气；

步骤二、对石英真空管抽真空，达到真空度要求后，开启高频机对石英真空管中的工件进行加热，同时采用红外测温仪和压力传感器分别对工件的表面温度和石英真空管中渗氮气体的压力进行监测；

步骤三、将温度信号和压力信号反馈给控制系统，控制系统通过控制高频机的加热电流使石英真空管中的工件在设定温度区间脉冲循环或稳定于设定温度，氮化温度范围是400℃～1200℃；

步骤四、工件达到预定温度或温度区间后，控制系统通过控制电磁阀向石英真空管中通入设定压力的渗氮气体介质，渗氮介质为高纯氨气、氮气或其他含氮气体，气体压力范围为-90 kPa～+100 kPa；

步骤五、采用脉冲加气的方式反复周期性的充入渗氮介质，相邻加气间隙进行抽真空处理，使石英真空管中的气体压力呈矩形脉冲式变化，该矩形脉冲的周期范围为1min～30min；

步骤六、渗氮处理时间控制在1 min～120 min，渗氮完成后关闭高频机停止对工件进行加热；

步骤七、保持石英真空管中的渗氮介质在一定压力或抽真空状态下，将工件温度降到300℃以下，取出工件，完成氮化处理。

前述方法中，所述需要进行渗氮处理的工件材质包括且不限于低碳钢、低合金钢、不锈钢和钛合金。

前述方法中，所述高频机通过感应线圈对石英真空管内的工件进行加热，通过调整高频机的电流大小实现工件的升温、降温与保温。

前述方法中，所述控制系统通过处理和分析压力传感器和红外测温仪传递信号，并与设定的压力、温度工艺参数进行比较，在线调整高频机的电流大小使工件温度达到工艺设定温度，在线调整石英真空管两端的电磁阀的通断控制进气与抽气，使石英真空管内的气体压力达到工艺设定压力。

根据上述方法构建并用于上述方法的本发明的一种基于感应加热的双脉冲快速渗氮装置，包括高纯氨气或氮气瓶和高纯氩气瓶；高纯氨气或氮气瓶和高纯氩气瓶经气体瓶阀门与不锈钢管路连接，不锈钢管路经电磁阀与石英真空管入口连接，石英真空管出口经电磁阀和不锈钢管路与真空系统连接；石英真空管上缠绕有感应线圈，感应线圈两端与高频机连接；石英真空管出口端设有压力传感器，石英真空管一侧设有红外测温仪；电磁阀、高频机、压力传感器和红外测温仪均与控制系统电气连接。

前述装置中，所述气体瓶阀门为手动控制阀门或为电控阀门。

前述装置中，所述红外测温仪的光电探头位于感应线圈相邻两匝之间的缝隙，并对准石英真空管内工件。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比：首先，传统的气体渗氮设备的热源大都采用电阻丝加热的方式，其升温速度和降温速度均比较慢，不仅增加了渗氮过程中能耗，也延长了渗氮时间，不利于气体渗氮的批量化生产。感应加热具有加热效率高、速度快、可以对形状复杂零部件进行加热，可控制加热深度，可实现局部加热，易于实现自动控制，作业环境好，几乎没有噪声和灰尘、生产效率高等优点。因此，将感应加热应用到渗氮过程中，可提高加热效率，缩短氮化周期。另外，采用在一定温度范围内的脉冲式加热，可增强表面原子的振动频率和幅度，使得表层局部微区产生不均匀应力场，加速氮原子的渗入。

其次，本发明采用间隙式周期反复充气和抽气，此方法具有以下优点：低压下氮具有较高的氮势，能产生较多的活性原子，同时狭缝及盲孔内的气氛被强行排出，充气时又强行加入新鲜气体，气体交换可达到任何与炉气相通的部位。另一方面，周期交换炉气，在工件表面的滞留气薄层迅速遭到破坏，新气氛产生新的活性原子，加快了活性原子在工件表面的碰撞，使渗入元素在工件表面的吸附速度和反应速率得到有效提高。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2为双脉冲快速渗氮温度为560℃，压力为-30 kPa的试样截面金相组织和硬化层硬度梯度的测试压痕示意图；

图3为双脉冲快速渗氮处理后试样及原样的耐磨曲线图；

图4为双脉冲快速渗氮处理后的EDS元素分析图。

附图1中的标记为：1-高纯氩气瓶、2-高纯氨气或氮气瓶、3-气体瓶阀门、4-不锈钢气体管路、5-电磁阀、6-高频机、7-感应线圈、8-石英真空管、9-压力传感器、10-红外测温仪、 11-控制系统、12-真空系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

图1是本发明的装置结构示意图；由图1可见，本发明的装置包括高纯氨气或氮气瓶2和高纯氩气瓶1；高纯氨气或氮气瓶2和高纯氩气瓶1经气体瓶阀门3与不锈钢管路4连接，不锈钢管路4经电磁阀5与石英真空管8入口连接，石英真空管8出口经电磁阀5和不锈钢管路4与真空系统12连接；石英真空管8上缠绕有感应线圈7，感应线圈7两端与高频机6连接；石英真空管8出口端设有压力传感器9，石英真空管8一侧设有红外测温仪10；电磁阀5、高频机6、压力传感器9和红外测温仪10均与控制系统11电气连接。气体瓶阀门3可以手动控制阀门，也可以为电控阀门，当气体瓶阀门3为电控阀门时与控制系统11连接。红外测温仪10的光电探头位于感应线圈7相邻两匝之间的缝隙，并对准石英真空管8内的工件，以便于精确测量石英真空管8内工件的表面温度。

采用本发明的装置进行快速渗氮的方法为，该方法通过高频电源对石英真空管中的工件进行快速加热氮化，采用红外测温仪和压力传感器分别对石英真空管内工件的表面温度和真空管中渗氮气体的压力进行监测，控制系统通过温度信号控制工件在设定温度区间脉冲循环或稳定于设定温度，通过压力信号控制管内压力呈矩形脉冲式变化。

具体操作步骤如下：先将需要进行渗氮处理的工件表面清洗后放入双脉冲感应渗氮装置的石英真空管中，然后密封、检漏后反复抽真空并通入高纯氮气或氩气排除石英真空管内空气；对石英真空管抽真空，达到真空度要求后，开启高频机对石英真空管中的工件进行加热，同时采用红外测温仪和压力传感器分别对工件的表面温度和石英真空管中渗氮气体的压力进行监测；将温度信号和压力信号反馈给控制系统，控制系统通过控制高频机的加热电流使石英真空管中的工件在设定温度区间脉冲循环或稳定于设定温度，氮化温度范围是400℃～1200℃；工件达到预定温度或温度区间后，控制系统通过控制电磁阀向石英真空管中通入设定压力的渗氮气体介质，渗氮介质为高纯氨气、氮气或其他含氮气体，气体压力范围为-90 kPa～+100 kPa；采用脉冲加气的方式反复周期性的充入渗氮介质，相邻加气间隙进行抽真空处理，使石英真空管中的气体压力呈矩形脉冲式变化，该矩形脉冲的周期范围为1 min～30 min；渗氮处理时间控制在1 min～120 min，渗氮完成后关闭高频机停止对工件进行加热；保持石英真空管中的渗氮介质在一定压力或抽真空状态下，将工件温度降到300℃以下，取出工件，完成氮化处理。需要进行渗氮处理的工件材质包括且不限于低碳钢、低合金钢、不锈钢和钛合金。高频机通过感应线圈对石英真空管内的工件进行加热，通过调整高频机的电流大小实现工件的升温与保温。控制系统通过处理和分析压力传感器和红外测温仪传递信号，并与设定的压力、温度工艺参数进行比较，在线调整高频机的电流大小使工件温度达到工艺设定温度，在线调整石英真空管两端的电磁阀的通断控制进气与抽气，使石英真空管内的气体压力达到工艺设定压力。

实施例1：

对38CrMoAl渗氮钢试样进行渗前预处理(试样的整理、清理及活化等)，将经过预处理的试样装入石英真空管中，将石英真空管密封，检漏，通入高纯氩气驱赶排除真空管内空气，接着对真空管抽真空，达到真空要求后，开启高频机对真空管中的试样进行加热，设定温度在540℃～570℃之间波动。向石英真空管内通入-30 kPa的高纯氨气，保温10 min后接着抽真空保温5 min，如此反复进行间歇式周期抽/充气渗氮处理1 h后，停止高频机工作，保持对石英真空管抽真空，防止试样表面氧化，将石英真空管中的渗氮钢试样冷却至300℃以下，取出渗氮钢试样进行相关性能检测，完成整个双脉冲快速渗氮工序。

图2为本实施例1双脉冲快速渗氮后的试样截面金相组织、硬化层硬度梯度的测试压痕以及硬化层硬度梯度曲线。由图可知，经过双脉冲快速渗氮处理后的试样表面具有一定深度渗氮层，表面硬度达到了1200 HV，渗层达到了150 μm以上。

实施例2：

对38CrMoAl渗氮钢试样进行渗前预处理(试样的整理、清理及活化等)，将经过预处理的试样装入石英真空管中，将石英真空管密封，检漏，通入高纯氩气驱赶排除真空管内空气，接着对真空管抽真空，达到真空要求后，开启高频机对真空管中的38CrMoAl渗氮钢试样进行感应加热。渗氮钢试样加热到设定温度560℃后，向石英真空管内通入-45 kPa的高纯氨气，保温10 min后接着抽真空保温5 min，如此反复进行间歇式周期抽/充气渗氮处理1 h后，停止高频机工作，保持对石英真空管抽真空，防止试样表面氧化，将石英真空管中的渗氮钢试样冷却至300℃以下，取出渗氮钢试样进行相关性能检测，完成整个真空脉冲快速感应渗氮工序。

图3为本实施例2快速渗氮处理后试样及原样的耐磨曲线，由图可知，经本实施例处理后试样的摩擦系数明显小于原样，耐磨性得到了较大的提高。

实施例3：

对38CrMoAl渗氮钢试样进行渗前预处理(试样的整理、清理及活化等)，将经过预处理的试样装入石英真空管中，将石英真空管密封，检漏，通入高纯氩气驱赶排除真空管内空气，接着对真空管抽真空，达到真空要求后，开启高频机对真空管中的试样进行加热，设定温度在540℃～570℃之间波动，向石英真空管内通入-60 kPa的高纯氨气，保温10 min后接着抽真空保温5 min，如此反复进行间歇式周期抽/充气渗氮处理1 h后，停止高频机工作，保持对石英真空管抽真空，防止试样表面氧化，将石英真空管中的渗氮钢试样冷却至300℃以下，取出渗氮钢试样进行相关检测，完成整个双脉冲快速渗氮工序。

图4为本实施例处理后其渗层截面方向的EDS元素分析结果，由图4可知，在渗层外表层上N元素含量很高，并随着渗层增加N元素随之减少，渗层约200 μm，表明N元素在气体感应渗氮处理条件下可迅速渗入试样，达到快速渗氮的目的。