QPQ低温直流电场渗氮工艺及装置的制作方法

本发明涉及金属表面化学热处理技术领域，具体涉及一种qpq低温直流电场渗氮工艺及装置。

背景技术：

qpq(quench—polish-quench)技术是一种金属表面改性技术，用以提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，主要工序是盐浴渗氮(盐浴氮碳共渗)+盐浴氧化。常规的qpq技术处理时，盐浴渗氮温度较高，通常在500℃以上。

高温盐浴会导致一些回火或调质温度低的碳钢或合金钢经qpq处理后，心部硬度降低，进而会影响零件的整体性能，特别是对于一些回火温度低的零件，高温盐浴造成盐浴回火，影响机体材料的强韧性。

若是在低温条件下的qpq工艺得到的渗层极薄，不能满足需要高硬度和高耐磨零件的要求；而采用长时间的低温渗氮可以提高渗层厚度，但也会造成渗层疏松，效率低下且成本大幅度提升。

因此，有必要提供一种更有利于氮原子的吸附，加快渗氮层的形成，能够显著缩短渗氮时间，同时能够有效遏制工件的被动回火，对基体材料的强韧性无影响的qpq低温直流电场渗氮工艺及装置来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种更有利于氮原子的吸附，加快渗氮层的形成，能够显著缩短渗氮时间，同时能够有效遏制工件的被动回火，对基体材料的强韧性无影响的qpq低温直流电场渗氮工艺及装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案:

一种qpq低温直流电场渗氮工艺，包括如下步骤：

步骤s10、预热，将工件在400℃的温度下预热至表面出现稻草黄色或紫红色；

步骤s20、渗氮，将预热后的工件放入直流电场盐浴渗氮炉中，同时调节电压，直流电场的阳极为工件，阴极为碳棒，且阳极与阴极之间互不接触，所述直流电场盐浴渗氮炉内温度不高于500℃；

步骤s30、氧化及抛光，将氧化后的工件用清水漂洗后机械抛光。

优选的，步骤s20中，所述直流电场盐浴渗氮炉内温度为445℃-455℃，所述直流电场的电压为1v-5v，渗氮浓度为25％-27％，渗氮时间为2h。

优选的，所述直流电场盐浴渗氮炉内温度为450℃，所述直流电场的电压为5v，渗氮浓度为26％，渗氮时间为2h。

优选的，步骤s30中，所述氧化的过程为在350℃-400℃条件下于氧化盐的作用下氧化10-20min。

一种qpq低温直流电场渗氮装置，包括具有反应空间的炉体、与所述反应空间连通的直流电场及控制系统，所述直流电场包括电源及连接所述电源与所述反应空间的第一导线及第二导线，所述第一导线的一端与所述电源的阳极连接，另一端固定有工件式样块，所述第二导线的一端与所述电源的阴极连接，另一端固定有碳棒。

优选的，所述控制系统包括温控箱、设置于所述反应空间内并与所述温控箱连通的热电偶、与所述温控箱连接的自动计时仪及与所述自动计时仪连接的自动报警器。

优选的，所述炉体包括围成所述反应空间的本体部、与所述本体部固定连接并设置于所述反应空间内的电阻丝及设置于所述本体部与所述电阻丝之间的隔热层，

优选的，所述隔热层为防火砖。

优选的，所述盐浴基液与所述反应空间的体积比保持在2/3至3/4之间。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的qpq低温直流电场渗氮工艺，通过控制渗氮工序的温度，能够有效避免一些回火或调质温度低的碳钢或合金钢在处理后心部硬度降低，保证了基体材料的强韧性，同时，向所述直流电场盐浴渗氮炉中添加直流电场，在通电的条件下，工件周围的活性氮原子浓度会大幅增高，从而加快了渗氮速度，增加了渗层厚度。

附图说明

图1为本发明提供的qpq低温直流电场渗氮工艺的工艺流程图；

图2为本发明提供的qpq低温直流电场渗氮装置的平面结构示意图。

图中，100、qpq低温直流电场渗氮装置；10、炉体；11、本体部；12、电阻丝；13、隔热层；20、直流电场；21、电源；22、第一导线；23、第二导线；30、控制系统；31、温控箱；32、热电偶；101、反应空间；102、工件式样块；103、碳棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。下述实验例和实施例用于进一步说明但不限于本发明。

请参阅图1，本发明提供了一种qpq低温直流电场渗氮工艺，具体包括如下步骤：

步骤s10、预热，将工件在400℃的温度下预热至表面出现稻草黄色或紫红色；

步骤s20、渗氮，将预热后的工件放入直流电场盐浴渗氮炉中，同时调节电压，直流电场的阳极为工件，阴极为碳棒，且阳极及阴极之间互不接触，所述直流电场盐浴渗氮炉内温度不高于500℃；

需要说明的是，现有技术的qpq技术处理时，盐浴渗氮温度较高，通常在500℃以上。然而，这样的高温盐浴会导致一些回火或调质温度低的碳钢或合金钢经qpq处理后心部硬度降低，进而会影响零件的整体性能，特别是对于一些回火温度低的零件，高温盐浴造成盐浴回火，会严重影响基体材料的强韧性。因此，在本实施方式中，通过控制所述直流电场盐浴渗氮炉内温度在445℃-455℃，这样的低温盐浴的方式可以避免上述情况的发生。优选的，在本实施方式中，所述直流电场盐浴渗氮炉内的温度控制为450℃。

同时，为了解决低温渗氮渗层过薄以及渗氮时间久且容易出现疏松层的缺陷设置所述直流电场，所述直流电场的电压为1v-5v，渗氮浓度为25％-27％，渗氮时间为2h。在通电的情况下，盐浴中的cno^-阴离子受到正电荷的吸引，向工件靠近，使得工件周围的cno^-阴离子浓度增高，进而使得渗氮速度更快，渗层更厚。需要说明的是，当所述直流电场的电压超过7v时，仍然会出现疏松层，因此，优选的，在本实施方式中，设置所述直流电场的电压为5v，渗氮浓度为26％，渗氮时间为2h。

所述直流电场促进渗氮的原理如下：

qpq氮化工序存在三个基本过程，即活性氮原子的分解、吸附及扩散。而活性氮原子的产生式依靠盐浴中的cno^-阴离子的分解，即如下两个反应：

在通电的情况下，工件与电源正极相连，盐浴中的cno^-阴离子受到正电荷的吸引，向工件靠近，使工件周围存在大量的cno^-阴离子，比不通电时工件周围的cno^-阴离子浓度高。因此当cno^-阴离子发生分解反应时，通电后的工件周围的活性氮原子浓度也随之提高，从而使渗氮速度更快，渗层更厚。

但电压过高(超过7v)时，工件会吸引更多的cno^-阴离子靠近，甚至有些cno^-阴离子附着在工件表面，当cno^-阴离子发生分解时，工件周围的活性氮原子大量堆积，形成高的氮势，虽然在短时间内渗层很厚，但由于化合物层中氮的含量过高，导致表面出现严重的疏松。

同样，盐浴中的o^2-离子也受到正电荷的吸引，向工件靠近或附着在工件表面，这时铁原子从化合物层扩散到表面形成fe3o4，也导致内部的氮原子重新分布，更有利于氮原子的吸附，加快渗氮层的形成，进一步达到催渗效果。同时，在450℃低温下，cno^-阴离子仅靠热分解的速度极为缓慢，而在所述直流电场的作用下，给cno^-阴离子分解提供了额外的能量，使cno^-阴离子分解速率更快，活性氮原子浓度更高。

具体的，在本实施方式中，渗层可达到18um，是无所述直流电场下渗层厚度的7.5倍，而在无所述直流电场的情况下使渗层达到18um需要17h。同时，在低温450℃下，通入5v直流电场作用2h后，工件的表面硬度达到了813hv，比不通电时qpq工艺的表面硬度高1.3倍。

步骤s30、氧化及抛光，将氧化后的工件用清水漂洗后机械抛光。

在本步骤中，所述氧化过程为在350℃-400℃条件下于氧化盐的作用下氧化10-20min。

请参阅图2，本发明还提供了一种qpq低温直流电场渗氮装置100，所述qpq低温直流电场渗氮装置100包括具有反应空间101的炉体10、与所述反应空间101连通的直流电场20及控制系统30。

所述炉体10包括围成所述反应空间101的本体部11、与所述本体部11固定连接并设置于所述反应空间101内的电阻丝12及设置于所述本体部11与所述电阻丝12之间的隔热层13。

优选的，所述隔热层13为防火砖。

所述直流电场20包括电源21及连接所述电源21与所述反应空间101的第一导线22及第二导线23。其中，所述第一导线22的一端与所述电源21的阳极连接，另一端固定有工件式样块102；所述第二导线23的一端与所述电源21的阴极连接，另一端固定有碳棒103。

工作时，所述反应空间101内填充部分盐浴基液，所述工件式样块102及所述碳棒103浸设于所述盐浴基液内。优选的，为了提升装置的安全性，同时也为了便于控制所述盐浴基液的温度，在本实施方式中，所述盐浴基液与所述反应空间101的体积比保持在2/3至3/4之间。

所述控制系统30包括温控箱31、设置于所述反应空间101内并与所述温控箱31连通的热电偶32、与所述温控箱31连接的自动计时仪(图未示)及与所述自动计时仪连接的自动报警器(图未示)。

所述温控箱31与所述电阻丝12连接，用于调节所述电阻丝12的电流，进而达到控制盐浴基液温度的目的。所述热电偶32用于感应盐浴基液的温度，并将盐浴基液的实时温度信息传输至所述温控箱31。

所述自动计时仪用于控制搜书工件式样块102的反应时间，当反应时间结束时，所述自动报警器报警提醒工作人员更换所述工件式样块102。

与现有技术相比，本发明提供的qpq低温直流电场渗氮工艺，通过控制渗氮工序的温度，能够有效避免一些回火或调质温度低的碳钢或合金钢在处理后心部硬度降低，保证了基体材料的强韧性，同时，向所述直流电场盐浴渗氮炉中添加直流电场，在通电的条件下，工件周围的活性氮原子浓度会大幅增高，从而加快了渗氮速度，增加了渗层厚度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。