45钢传动轴快速离子渗氮方法
【专利摘要】本发明涉及一种45钢传动轴快速离子渗氮方法，从45钢传动轴上取样，加工切割成试样；去除试样表面油污；将试样先后进行调质处理和打磨处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声波清洗、吹干；将试样进行喷砂处理，喷砂处理后在有机溶剂中进行超声波清洗、吹干；将试样置于离子氮化炉中，氢气溅射，通入干燥的空气进行离子预氧化处理；进行离子渗氮表面处理，试样冷却至室温。本发明的有益效果是：操作流程简单便捷，离子预氧化采用气体为空气，易采集，成本低，且能够在短时间内提高渗氮速率与渗层厚度，具有高效、节能的优势，可实现大面积工业化生产。
【专利说明】
45钢传动轴快速离子渗氮方法
技术领域
[0001]本发明属于金属表面化学热处理方法领域，涉及一种45钢传动轴快速离子渗氮方法。
【背景技术】
[0002]45钢作为一种优质碳素结构钢，具有良好的力学性能，如较高的强度和较好的切削加工性，经调质处理后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，故而被广泛应用于各种重要的结构零件。但是，随着其应用范围的扩大，对材料性能的要求日趋严格，因此，为了能让45钢能够适应不同的工作环境，一般都需要对其进行表面处理，常用的技术方法有盐浴处理、气体渗氮和离子渗氮等。其中，离子渗氮作为一种应用较为广泛的化学热处理技术，能够显著提高材料的耐磨性、硬度和耐蚀性等其他性能。传统离子渗氮具有许多优点，如无污染、工件变形小和质量稳定等。
[0003]但传统离子渗氮的不足是，单一的离子渗氮技术通常需要花费长达十几或数十小时以上才能获得材料理想的性能，因此，在实际生产中周期较长，造成了极大的能源消耗，降低了生产效率。
[0004]为了获得一种更为有效快速的离子渗氮方法，通常需要采用不同的手段对其进行表面处理。近几年，虽然已经发明了诸多催渗方法，如机械研磨+离子渗氮、激光处理+离子渗氮、多元素共渗催渗等，但是在对材料性能要求严格的场合，现有技术已不能完全满足其各方面的要求，为了进一步扩大离子渗氮技术的广泛应用，在保证达到理想该性层的前提下，考虑如何缩短生产周期，提高资源利用率和渗氮效率一直是人们密切关注的问题，而采取喷砂处理+离子预氧化+离子渗氮方法能够有效减少资源的浪费，加快渗氮速度，同时提高生产效率，因此，具有一定的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:基于上述问题，本发明提供一种45钢传动轴快速离子渗氮方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是:一种45钢传动轴快速离子渗氮方法，包括以下步骤:
[0007](I)从45钢传动轴上取样，加工切割成试样；
[0008](2)去除试样表面油污；
[0009](3)将试样先后进行调质处理和打磨处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹风机吹干；
[0010](4)将试样进行喷砂处理，喷砂处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹风机吹干；
[0011](5)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至1Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500mL/min;溅射结束后，待炉温升高至300 V时，关闭氢气，进行离子预氧化处理;待炉温升高至510°C时，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样冷却至室温。
[0012]进一步地，步骤(I)中加工切割成试样尺寸为1mmX 1mmX 5mm。
[0013]进一步地，步骤(2)中的去除油污是试样浸泡于50mL的无水乙醇中进行清洗，浸泡时间为12h。
[0014]进一步地，步骤(3)中调质处理为先升温至840°C保温12min，水冷至室温，再升温至580°C保温30min，水冷至室温。
[0015]进一步地，步骤(3)中打磨处理为将试样分别用500#?2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，打磨处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声清洗15min。
[0016]进一步地，步骤(4)中喷砂处理为试样用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为15min，喷砂处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声波清洗15min。
[0017]进一步地，步骤(5)中离子氮化炉型号为:LD-8CL，20KW。
[0018]进一步地，步骤(5)中离子预氧化处理具体操作为:采用干燥的空气作为气源，预氧化时间为30min，通入空气流量为3L/min，炉内压力保持300Pa。
[0019]进一步地，步骤(5)中离子渗氮处理具体操作为:采用氢气和氮气混合气体，氮气与氢气的流量分别为200mL/min和600mL/min，气体压力保持为400Pa。
[0020]进一步地，步骤(5)中冷却方式为随炉冷却，冷却后采用DM1-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
[0021]本发明的有益效果是:(I)采用喷砂+离子预氧化复合处理技术，进一步加快了离子渗氮速度，克服了渗氮效率低、离子渗氮渗层薄的缺点；(2)试样经喷砂处理后，不仅在宏观上发生变化，即表面粗糙度大幅度增加，在试样表面形成大量的颗粒物，由于颗粒与颗粒之间存在间隙，因此，在离子预氧化处理时，空气中分解出的活性氧原子在缺陷和间隙的作用下，最终在试样表面形成一层较厚的氧化膜；(3)试样经喷砂处理后，而且在微观上也发生了变化，喷砂过程中砂粒不断撞击试样表面，使试样表层的晶粒得到细化，细化的同时必然会引起晶界的增多，而更多晶界的存在，为氮原子的扩散提供了更多的通道，同时使得氮原子向基体内部扩散的激活能减小；(4)由于离子预氧化在喷砂之后进行，所以在预氧化阶段，空气中更容易分解出氧原子，且被分解出的氧能够沿着晶界不断地向基体内部扩散，达到一个相当于“快速渗氧”的效果；(5)由于离子预氧化的作用，气氛中存在活性氧原子，在后续的离子渗氮过程中，不仅气氛中的氧原子容易与氮原子结合，而且快速渗入试样内部的氧也容易与氮结合，加快氮原子的扩散速度，从而达到催渗的效果；(6)采用喷砂+离子预氧化复合处理方法，即表层微变形+表面纳米化，表层微变形进一步促进表面纳米化，所提高的渗氮效率明显达到超过两者单一机械叠加的催渗效果；(7)本发明操作流程简单便捷，离子预氧化采用气体为空气，易采集，成本低，且能够在短时间内提高渗氮速率与渗层厚度，具有高效、节能的优势，可实现大面积工业化生产。
【附图说明】
[0022]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0023]图1是对比例I得到的渗层显微组织图；
[0024]图2是对比例2得到的渗层显微组织图；
[0025]图3是对比例3得到的渗层显微组织图；
[0026]图4是实施例得到的渗层显微组织图；
[0027]图5是45钢传动轴在不同工艺条件下的化合物层厚度对比图。
【具体实施方式】
[0028]现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
[0029]对比例I
[°03°] I)从45钢传动轴上取样，加工切割成试样，试样尺寸为1mmX 1mmX5mm;
[0031]2)将试样浸泡于50mL的无水乙醇中12h，去除试样表面油污；
[0032]3)将试样进行调质，先升温至840°C保温12min，水冷至室温，再升温至580°C保温30min，水冷至室温；
[0033]4)将试样分别用500#?2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
[0034]5)将试样浸泡于20mL的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹风机吹干，待用；
[0035]6)将试样置于LD-8CL型离子氮化炉中，抽真空至1Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500mL/min;溅射结束后，通入氮气和氢气，氮气流量为200mL/min，氢气流量为600mL/min，压力保持为400Pa，待炉温升高到510°C，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
[0036]试验结果:传统离子渗氮工艺(PN)所获得的化合物层厚度约为10.0um，见图1和图5。
[0037]对比例2
[0038]I)从45钢传动轴上取样，加工切割成试样，试样尺寸为1mmX 1mmX5mm;
[0039]2)将试样浸泡于50mL的无水乙醇中12h，去除试样表面油污；
[0040]3)将试样进行调质，先升温至840°C保温12min，水冷至室温，再升温至580°C保温30min，水冷至室温；
[0041 ] 4)将试样分别用500#?2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
[0042]5)将试样浸泡于20mL的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹风机吹干，待用；
[0043]6)将试样置于LD-8CL型离子氮化炉中，抽真空至1Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500mL/min;溅射结束后，待温度升高至300 °C，关闭氢气，通入干燥的空气，进行离子预氧化处理，预氧化时间为30min，通入空气流量为3L/min，炉内压力保持300Pa;预氧化结束后，空气流量降为O，通入氮气和氢气，氮气流量为200mL/min，氢气流量为600mL/min，压力保持为400Pa，待炉温升高至510°C，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
[0044]试验结果:离子预氧化+离子渗氮工艺(PO+PN)所获得的化合物层厚度约为15.0um，见图2和图5，与对比例I相比，该工艺能够有效地提高化合物层厚度，但是效果并不是十分明显，渗氮效率提高约50%。
[0045]对比例3
[0046]I)从45钢传动轴上取样，加工切割成试样，试样尺寸为1mmX 1mmX5mm;
[0047]2)将试样浸泡于50mL的无水乙醇中12h，去除试样表面油污；
[0048]3)将试样进行调质，先升温至840°C保温12min，水冷至室温，再升温至580°C保温30min，水冷至室温；
[0049]4)将试样分别用500#?2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
[0050]5)将试样浸泡于20mL的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹风机吹干，待用；
[0051 ] 6)将试样进行喷砂处理，采用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时，试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为15min。
[0052]7)将试样浸泡于20mL的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面残余砂粒和污渍，吹风机吹干，待用；
[0053]8)将试样置于LD-8CL型离子氮化炉中，抽真空至1Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500mL/min;溅射结束后，通入氮气和氢气，氮气流量为200mL/min，氢气流量为600mL/min，压力保持为400Pa，待炉温升高至510°C，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
[0054]试验结果:喷砂+离子渗氮工艺(SB+PN)所获得的化合物层厚度约为16.9um，见图3和图5，与对比例I相比，该工艺能够有效地提高化合物层厚度，渗氮效率提高约69%。
[0055]实施例
[°°56] I)从45钢传动轴上取样，加工切割成试样，试样尺寸为1mmX 1mmX5mm;
[0057]2)将试样浸泡于50mL的无水乙醇中12h，去除试样表面油污；
[0058]3)将试样进行调质处理，先升温至840 °C保温12min，水冷至室温，再升温至580 °C保温30min，水冷至室温；
[0059]4)将试样分别用500#?2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面；
[0060]5)将试样浸泡于20mL的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面氧化物和污渍，吹风机吹干，待用；
[0061 ] 6)将试样进行喷砂处理，采用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时，试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为15min。
[0062]7)将试样浸泡于20mL的无水乙醇中进行超声波清洗15min，去除试样表面残余砂粒和污渍，吹风机吹干，待用；
[0063]8)将试样置于LD-8CL型离子氮化炉中，抽真空至1Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500mL/min;溅射结束后，待温度升高至300 °C，关闭氢气，通入干燥的空气，进行离子预氧化处理，预氧化时间为30min，通入空气流量为3L/min，炉内压力保持300Pa;预氧化结束后，空气流量降为O，通入氮气和氢气，氮气流量为200mL/min，氢气流量为600mL/min，压力保持为400Pa，待炉温升高至510°C，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样随炉冷却至室温。
[0064]试验结果:喷砂+离子预氧化+离子渗氮复合处理(SB+P0+PN)使45钢的化合物层厚度达到约24.2um，见图4和图5，与对比例I相比，该工艺能够显著地提高化合物层厚度，渗氮效率提高约142% ;与对比例2相比，渗氮效率提高约61 % ;与对比例3相比，渗氮效率提高约43% ;且可以看出，采用喷砂+离子预氧化+离子渗氮复合处理方法所提高的渗氮效率明显达到超过两者单一机械叠加的催渗效果。
[0065]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【主权项】
1.一种45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:包括以下步骤: (1)从45钢传动轴上取样，加工切割成试样； (2)去除试样表面油污； (3)将试样先后进行调质处理和打磨处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹风机吹干； (4)将试样进行喷砂处理，喷砂处理后在有机溶剂中进行超声清洗、吹风机吹干； (5)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至1Pa以下，通入氢气溅射30min，炉内压力保持300Pa，氢气流量为500mL/min;溅射结束后，待炉温升高至300 V时，关闭氢气，进行离子预氧化处理;待炉温升高至510°C时，进行离子渗氮表面处理，保温时间为4h，保温结束后，试样冷却至室温。2.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(I)中加工切割成试样尺寸为1mm X 1mmX 5_。3.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(2)中的去除油污是试样浸泡于50mL的无水乙醇中进行清洗，浸泡时间为12h。4.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(3)中调质处理为先升温至840°C保温12min，水冷至室温，再升温至580°C保温30min，水冷至室温O5.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(3)中打磨处理为将试样分别用500#?2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，打磨处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声清洗15min。6.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(4)中喷砂处理为试样用46目棕刚玉砂进行喷砂，喷砂时试样与喷嘴之间的距离为5cm，角度呈45°，喷砂处理时间为15min，喷砂处理后试样浸泡于无水乙醇中进行超声波清洗15min。7.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(5)中离子氮化炉型号为:LD-8CL，20KW。8.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(5)中离子预氧化处理具体操作为:采用干燥的空气作为气源，预氧化时间为30min，通入空气流量为3L/min，炉内压力保持300Pa。9.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(5)中离子渗氮处理具体操作为:采用氢气和氮气混合气体，氮气与氢气的流量分别为200mL/min和600mL/min，气体压力保持为400Pa。10.根据权利要求1所述的45钢传动轴快速离子渗氮方法，其特征是:所述的步骤(5)中冷却方式为随炉冷却，冷却后采用DM1-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
【文档编号】C23C8/38GK106086777SQ201610581077
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月21日 公开号201610581077.1, CN 106086777 A, CN 106086777A, CN 201610581077, CN-A-106086777, CN106086777 A, CN106086777A, CN201610581077, CN201610581077.1
【发明人】胡静, 缪斌
【申请人】常州大学