针对不锈钢材料的渗氮工艺的制作方法

本发明属于材料热处理领域，涉及一种针对不锈钢材料的渗氮工艺，尤其涉及一种针对奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢的渗氮工艺。
背景技术：
：催渗技术在化学热处理上的研究与应用已成为国内外学者追逐的热点。对于金属表面的改性处理，通过催渗剂的加入能够显著提高化学元素渗入速度，改善渗层组织，提高渗层性能，表现出催渗效果，在钢铁化学热处理领域具有良好的应用前景，对技术发展也将起到积极的促进作用。国内现有的渗氮工艺一般都按hb/z79-95《航空结构钢及不锈钢渗氮工艺说明书》进行，按照该hb/z79-95所记载的内容，当渗层深度达到0.1mm时，其渗氮工艺包括第一段温度545±5℃，保温30h；第二段温度565±5℃，保温20h，第一段强渗时间比第二段扩散时间长，总体时间在50h，才能从渗层、表面硬度、脆性以及组织上确保使用要求。该渗氮工艺耗时长，加工零件效率低。同时，检索国内外期刊杂志，还没有专门针对稀土催渗剂应用于4cr14ni14w2mo奥氏体不锈钢上的渗氮工艺方法的资料。技术实现要素：为了解决
背景技术：
中存在的上述技术问题，本发明提供了一种缩短渗氮时间、提高不锈钢材料的硬度以及耐磨性、延长不锈钢材料的使用寿命以及可降低生产成本的针对不锈钢材料的渗氮工艺。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种针对不锈钢材料的渗氮工艺，包括保温，所述保温包括第一阶段以及第二阶段，其特征在于：所述第一阶段的工艺参数是温度545±5℃，保温时间t1，氨气分解率控制在45-55％；所述第二阶段的工艺参数是温度565±5℃，保温时间t2，氨气分解率控制在55-65％；所述t1+t2≤35h±1h，所述t1＜t2；所述针对不锈钢材料的渗氮工艺在保温前还包括加入稀土催渗剂的步骤。上述t1＝10h±0.5h；所述t2＝25h±0.5h。上述稀土催渗剂的加入量与渗氮炉的炉内体积的重量体积比(g/m3)是40-60g：0.48。上述不锈钢是奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢。上述不锈钢是奥氏体不锈钢时，所述不锈钢是4cr14ni14w2mo；所述不锈钢是马氏体不锈钢时，所述不锈钢是1cr11ni2w2mov或1cr12ni2wmovnb。本发明的优点是：本发明提供了一种针对不锈钢材料的渗氮工艺，该工艺首先将传统的保温时间进行修改，由第一阶段保温30小时直接缩短至10小时，将第二阶段保温20小时延长至25小时，总体时间由之前的50小时缩短至35小时，本发明虽然对时间进行相应的修改，但从不锈钢材料的渗层厚度以及表面硬度来说，都相对于航标而言，有明显的提升，氮化保温时间减少了15h，缩短了约30％的渗氮保温时间，渗氮表面硬度达到hv960，远高于航标规定的hv不小于347的要求，渗氮层深度达到0.11mm。同时，基于上述内容，本发明还在渗氮工艺中增加稀土催渗剂，利用稀土催渗剂在4cr14ni14w2mo奥氏体不锈钢上进行气体渗氮加工的零件渗层、表面硬度、脆性及外观均到达要求，并且结果稳定。本发明不仅可以活化不锈钢零件表面，使精密活门偶件达到高硬度、高耐磨性的优良性能，延长零件的使用寿命，同时降低了生产成本，满足产品性能要求，打破原有工艺的局限性，提高气体渗氮工艺的适用性。附图说明图1是4cr14ni14w2mo氮化正常组织(200倍金相)；图2是4cr14ni14w2mo网状氮化物组织(200倍金相)；图3是4cr14ni14w2mo网状氮化物组织(500倍金相)。具体实施方式本发明提供了一种针对不锈钢材料的渗氮工艺，包括保温，保温包括第一阶段以及第二阶段，第一阶段的工艺参数是温度545±5℃，保温时间t1，氨气分解率控制在45-55％；第二阶段的工艺参数是温度565±5℃，保温时间t2，氨气分解率控制在55-65％；t1+t2≤35h±1h，t1＜t2；针对不锈钢材料的渗氮工艺在保温前还包括加入稀土催渗剂的步骤。例如，t1＝10h±0.5h；t2＝25h±0.5h。稀土催渗剂的加入量与渗氮炉的炉内体积的重量体积比(g/m3)是40-60g：0.48。不锈钢是奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢；当不锈钢是奥氏体不锈钢时，不锈钢是4cr14ni14w2mo；不锈钢是马氏体不锈钢时，不锈钢是1cr11ni2w2mov或1cr12ni2wmovnb。本发明主要针对航空产品中4cr14ni14w2mo奥氏体不锈钢材料气体渗氮的加工工艺，利用稀土催渗剂活化不锈钢零件表面，提高渗剂分解速率，缩短工艺时间，使精密活门偶件达到高硬度、高耐磨性的优良性能，延长零件的使用寿命，同时降低了生产成本，满足产品性能要求，打破原有工艺的局限性，提高气体渗氮工艺的适用性，提升氮化技术能力。以4cr14ni14w2mo奥氏体不锈钢为例，对本发明所提供的技术方案进行详细说明：1)零件验收：检查零件表面质量，不允许有碰伤、划痕、压伤、锈蚀等；零件应无油脂油膏，镀铜氮化的零件，要求氮化处不得有残留铜层，小孔尖边的铜层结合必须良好；每批应带试样不少于3件，用于金相和硬度检查；严格检查试样表面粗糙度不大于ra0.4，不合格均应退货。2)生产准备：用汽油、酒精清洗零件和工装，并晾干；凡外圆要求氮化的零件需用紫铜丝绑扎成排，使之保持一定的间隙，并摆在网子隔板上；根据渗氮炉的炉内体积称好稀土催渗剂60g，并准备好一块石棉板；准备好氨气，清理好氮化箱，管道等。3)渗氮过程3.1)将稀土催渗剂均匀的放入石棉板上，并将石棉板平稳的放在箱式气体渗氮设备箱子底部，然后把零件装入氮化箱内，零件在渗氮箱中的层数不大于5层(应低于排气管道)。3.2)盖上盖子，用细砂填满槽内，轻轻敲震封严，通入氨气，至分解率为零时推入炉内；3.3)设定仪表温度为545℃，待温度到达，将装好零件的渗氮箱推入炉内，直到氮化箱内到温，开始计算保温时间，工艺参数设定如下：第一阶段：温度545±5℃，保温10h，氨气分解率控制在45-55％；第二阶段：温度565±5℃，保温25h，氨气分解率控制在55-65％。3.4)零件的保温和冷却：保温过程中每半个小时校正一次温度，防止零件超温或掉温，并测试氨气分解率是否符合要求；零件保温结束后，拉出氮化箱，于空气中冷却至不大于100℃拆箱。3.5)检验：每层抽1-2个零件或样件送金相室检查氮化层深度(要求不小于0.1mm)；hv5/10，每层抽3-5个零件或样件检查氮化表层硬度(要求hrc不小于62)；hv5/10，每层抽3-5个零件或样件检查氮化层脆性(要求ⅰ-ⅱ级)；100％检查零件外观表面不得有碰伤和黑点等。利用稀土催渗剂在4cr14ni14w2mo奥氏体不锈钢上进行气体渗氮，加工的零件性能指标如下：表面硬度、渗层、脆性和外观检测结果见表1。表1渗层、表面硬度、脆性和外观检测结果材料渗层mm表面硬度hrc脆性外观4cr14ni14w2mo0.11hrc66-66.5ⅱ均匀、无黑点根据上述结果可以得出：利用稀土催渗剂在4cr14ni14w2mo奥氏体不锈钢上进行气体渗氮加工的零件渗层、表面硬度、脆性及外观均到达要求，并且结果稳定。稀土催渗工艺及加工结果与航标规定的工艺加工结果对比如表2所示：表2稀土催渗与航标工艺加工的对比结果该发明与航标规定的气体渗氮工艺相比，氮化保温时间减少了15h，缩短了约30％的渗氮保温时间，而且性能更优，具体对比如下：a.按hb/z79-95规定，渗层深度要达到0.1mm，工艺为第一段温度545±5℃，保温30h，第二段温度565±5℃，保温20h，第一段强渗时间比第二段扩散时间长，渗层、表面硬度、脆性及组织均正常；按照a工艺方案，若渗层要达到0.11mm，则总保温时间至少还需增加10h，即总时间约为60h，并且在延长保温时间的基础上，表面硬度变化不大，达不到更高的硬度值；b.按hb/z79-95规定，增加稀土催渗剂，工艺为第一段温度545±5℃，保温30h，第二段温度565±5℃，保温20h，第一段强渗时间比第二段扩散时间长，结果显示氮化组织容易出现网状氮化物(参见图2以及图3)，造成网状氮化物的主要原因是渗氮过程中强渗时间太长、扩散时间太短导致表面层氮浓度过高；渗层深度要达到0.12mm，这是催渗效果；硬度为hrc65-65.8，比方法a的表面硬度高；c.基于hb/z79-95，本发明做了如下改进：1)工艺为第一段温度545±5℃，保温10h，第二段温度565±5℃，保温25h，第一段强渗时间比第二段扩散时间短；2)增加稀土催渗剂。结果显示氮化组织无网状氮化物，显示合格；渗层深度要达到0.11mm，这是催渗效果；硬度为hrc66-66.5，比方法a、b的表面硬度都高。d.与c方案对比，若不增加稀土催渗剂，工艺为第一段温度545±5℃，保温10h，第二段温度565±5℃，保温25h，渗层深度为0.071mm，渗层偏低的原因是保温时间短或缺稀土催渗剂的催渗效果；硬度为hrc60.2-61.4，硬度值偏低的原因主要是保温时间短，氮浓度偏低造成的；脆性和组织均正常。如上上述，本发明所提供的针对不锈钢材料的渗氮工艺，可以推广至其他马氏体不锈钢材料(例如1cr11ni2w2mov(实验数据见表3)、1cr12ni2wmovnb等)气体渗氮工艺上，减少零件加工时的保温时间，提高渗层和表面硬度性能，提高生产效率；打破原有工艺的局限性，提高气体渗氮工艺的适用性。该稀土催渗渗氮工艺不仅可以活化不锈钢零件表面，氮化保温时间减少了15h，缩短了约30％的渗氮保温时间，渗氮表面硬度达到hv960，远高于航标规定的hv不小于347的要求，渗氮层深度达到0.11mm，使精密活门偶件达到高硬度、高耐磨性的优良性能，延长零件的使用寿命，同时降低了生产成本，满足产品性能要求，打破原有工艺的局限性，提高气体渗氮工艺的适用性。表31cr11ni2w2mov材料的渗氮工艺及结果对比从表3可以得出：对于材料1cr11ni2w2mov的渗氮工艺，b方案与hb/z79-95工艺相比，同样的渗氮温度和保温时间，增加催渗剂，该材料的渗层能从0.3mm提高到0.36mm，表面硬度能从hrc63.1-63.7提高到hrc67.3-67.6；c方案与hb/z79-95工艺相比，达到相同的渗层深度和表面硬度，增加稀土催渗剂，氮化保温时间由50h减少至44h；d方案与c方案相比，若不增加稀土催渗剂，用同样的渗氮温度和保温时间，则d方案的渗层深度低于c方案的渗层深度，且表面硬度也低于c方案。当前第1页12