基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法

摘要

本发明涉及基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法，属于奥氏体不锈钢氮化处理技术领域。该系统包括电源系统、真空渗氮炉、放置在炉内的空心阴极装置、抽气系统、供气系统、测控系统，及连接管道和阀门；所述真空渗氮炉中空心阴极装置结构为多块平行排列在炉内的金属板,每块金属板带有多个间隔排列的长条凹槽且每个凹槽中均开有间隔排列的通孔。本方法为将多个零件清洗后放入真空渗氮炉内安装空心阴极装置的两金属板之间后进行氮化处理后，升温到500℃‑550℃温度，保温时间为0.5h‑1.5h，再冷却，拿出零件。本发明提高了气体离化率，增大了等离子体浓度，可改善奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性，不影响其耐蚀性能，提高氮化效率。

说明书

技术领域

本发明属于奥氏体不锈钢氮化处理技术领域，特别涉及一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法。

背景技术

由于奥氏体不锈钢表面存在钝化膜(如Cr₂O₃)，因此在相对低的温度下的常规气体氮化，氮难于渗入。在气体渗氮时，工件表面的去钝过程成为是一项必不可少的步骤。如经过酸洗和抛丸的预先热处理，去除表面的钝化膜，而且要抑制其重新生成。而在直流离子氮化时，由于有强的阴极溅射作用，可有效地从不锈钢表面上去除氧化层，因此，在低于400℃时，氮也能有效地传输。

大量实验研究和理论分析表明，奥氏体不锈钢离子渗氮处理技术的关键在于控制足够低的渗氮温度或者较短的渗氮时间，尽可能地抑制CrN的形成，从而产生单一的S相硬化层。单一的S相层，提高硬度及耐磨性的同时保证了奥氏体不锈钢原有的耐腐蚀性能。S相是一种处于亚稳定状态的中间相，随着处理温度的升高，奥氏体不锈钢渗氮层的结构与性能随之变化。S相分解，晶格点阵发生非共格转变，转变为稳定的氮化铬平衡相析出。

等离子体渗氮技术因其对奥氏体不锈钢材料处理的优异性能被广泛应用于这类材料的表面强化处理领域，而空心阴极等离子体渗氮则是对传统离子渗氮的进一步改善。目前一些基于空心阴极结构的离子渗氮改善了传统离子渗氮但也产生了一定的局限。如柯跃前等人对奥氏体不锈钢模具顶杆与排气阀两类零件的离子渗氮进行研究，两类零件都进行了调质预处理，并在零件周围合适的距离设置一定规格的铁丝网做辅助阴极，使得两类零件样品与辅助阴极之间放电形成空心阴极结构，排气阀在550-580℃渗氮1-4h，模具顶杆在520℃氮化4h,两类零件在空心阴极辅助下都加快了渗氮速率且获得了均匀的硬化层；赵彦辉等人在对316奥氏体不锈钢进行渗氮处理时也使用空心阴极结构，即在真空炉腔上方的进气口处放电装置两端设置了两块面积很小的平板形成空心阴极，在真空炉壁又设置了加热板，奥氏体不锈钢样品放在真空炉中心的样品盘上，样品在400℃下改变电弧电流进行电弧等离子氮化1h，样品表面硬度提高了四倍多，磨损率降低了两个数量级，耐腐蚀性也有很大提高；K.Nikolov等人使用空心阴极结构研究了304奥氏体不锈钢板的氮化处理，其空心阴极结构是两个基板(350mm×150mm，厚度0.1-0.2mm)以30mm的距离平行地面对面地安装，两极板间四周一边为阳极块其余为排气块，(空心阴极结构配置长度为140mm，宽度为30mm，高度为150mm)在400-510℃下最长氮化2h，最后得到了较厚的氮化层提高了板材样品的抗腐蚀性能。

上述各种空心阴极等离子体渗氮方法均有不足之处:

柯跃前等人的研究是对每种不同奥氏体不锈钢零件分别设置空心阴极结构，零件也作为空心阴极结构的一部分，样品表面会出现过烧或者形成小孔，同时不利于大量工件的氮化处理，而且渗氮前的准备工作繁琐，空心阴极设备的利用率较低，易造成浪费；赵彦辉等人使用的空心阴极覆盖面积较小，这会影响气体离化率，降低氮化效率，同时无法对样品进行加热，这就需要加装加热板，加热板不仅需要板材还增加了能量消耗；K.Nikolov等人的空心阴极结构仅处理其内长度为140mm，高度为150mm的部分，即对工件或样品的尺寸要求严格，仅能处理板材或较薄的样品，加装排气块还会影响气体扩散，降低效率。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术在奥氏体不锈钢低温氮化耗时过长氮化速率低的不足之处，提出一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法。本发明对空心阴极离子源渗氮系统中的空心阴极放电结构进行改进,在此基础上对奥氏体不锈钢工件进行高温快速氮化处理技术，该方法在不影响其耐蚀性能基础上，改善奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性，同时提高氮化效率。本发明提出的一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统，该系统包括电源系统、真空渗氮炉、放置在炉内的空心阴极装置、抽气系统、供气系统及测控系统，以及与各部分之间的连接管道和阀门；其中，电源系统与真空渗氮炉相连，供气系统通过阀门与测控系统相连接，再连入真空渗氮炉及空心阴极装置；真空渗氮炉体下方通过阀门与抽气系统相连；其特征在于，所述真空渗氮炉中的空心阴极装置结构为多块平行排列在炉内的金属板,每块金属板带有多个间隔排列的长条凹槽且每个凹槽中均开有间隔排列的通孔。

一种基于上述的空心阴极装置进行氮化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待处理的多个零件表面磨平、抛光；用酒精对已经打磨好的零件表面进行清洗，洗掉零件表面的油污；

2)将多个零件放入真空渗氮炉内安装空心阴极装置的两金属板之间，与电源阴极相连，盖上炉盖，打开抽气泵对渗氮炉抽真空,并通冷却水；当抽真空至5-15Pa，调节工作电压和占空比，然后打开氨气瓶，调节流量计给气气压维持在400-450Pa；

3)对真空渗氮炉内零件进行升温，调节电流、压强，以保证空心阴极放电稳定，直至升温到500℃-550℃温度；

4)当升温到所需温度后，对零件进行保温并开始计时，保温时间为0.5h-1.5h，以保证其波动的范围控制在1-2℃；

5)当达到所设的保温值保温结束后,再对零件进行随炉冷却；

6)当零件冷却到300℃以下，冷却阶段结束后，打开炉子拿出零件，氮化处理结束。

本发明的特点及有益效果：

本发明借助改进的空心阴极电极实现空心阴极放电，在高活性高浓度的渗氮介质气氛下，奥氏体不锈钢零件能被快速加热。期望在高温下快速氮化，而较短时间内CrN无法聚集析出，因此高温快速氮化处理技术在改善奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性，而不影响其耐蚀性能，同时提高氮化效率。

本发明系统中的板状空心阴极带有凹槽和孔洞，凹槽增加了阴极板的面积，使得在相同参数下放电面积增大，零件温度和升温速率都较大，可加快氮原子的扩散速率，面积增大可以增大气体电离的离化率，提高氮化效率，同时孔洞结构有利于气体扩散加速气体电离，使金属板能被大量的离子撞击，提高氮化质量；本发明的板状空心阴极结构可以在氮化炉内灵活放置，且对零件的外形尺寸要求小，提高了氮化炉内空间的利用率。这些特点使得板状带有凹槽和孔洞的空心阴极结构的氮化效率是已有空心阴极结构的1.5倍以上。

附图说明

图1为本发明的基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统组成结构示意图。

其中:1.1是电源系统，1.2是真空渗氮炉，1.3是放置在炉内的空心阴极设备，1.4是测控系统，1.41是测控系统中测量温度压强等数据的显示系统，1.5是氨气瓶(供气系统)，1.6是真空泵(抽气系统)。

图2为本发明系统的空心阴极装置结构示意图。

其中:2.1是空心阴极板上的凹槽，2.2是板上凹槽内的通孔。

图3为本发明实施例氮化处理后的零件氮化层的SEM图。

图4为本发明实施例氮化处理后的电化学腐蚀极化曲线图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统及方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统，结构如图1所示，包括电源系统1.1、真空渗氮炉1.2、放置在炉内的空心阴极装置1.3、真空泵(抽气系统)1.6、氨气瓶(供气系统)1.5及测控系统1.4，以及与各部分之间的连接管道和阀门；其中，电源系统1.1与真空渗氮炉1.3相连，测控系统1.4是由氮化炉设备自带的压力、温度、电压、电流气体流量显示器1.14及进行检测和控制的电脑构成。氨气瓶(供气系统)1.5通过阀门与测控系统相连接，再连入真空渗氮炉及空心阴极装置；真空渗氮炉体下方通过阀门与真空泵(抽气系统)1.6相连。

本实施例的一种基于空心阴极离子源的奥氏体不锈钢氮化处理系统除空心阴极装置结构与已有技术不同，其它部件均可采用常规装置实现，说明如下:

本发明的电源系统采用常规中频脉冲电源，以保证不同真空度条件下产生空心阴极放电。采用的真空渗氮炉中的空心阴极装置结构为多块平行排列在炉内的金属板,每块金属板带有多个间隔排列的长条凹槽2.1且每个凹槽中均开有间隔排列的通孔2.2，如图2所示，金属板的长度和宽度可根据氮化炉和零件自行确定，金属板间距根据每次零件的摆放位置和数量调整。厚度在15-20mm，凹槽宽度在7-10mm，深度在5-7mm，凹槽间隔可与宽度一致，通孔开在凹槽底部，直径比凹槽宽度小1mm或相同，通孔间隔可与直径一致，金属板的大小和间隔可根据渗氮零件数量大小和渗氮炉内空间确定。本实施例中使用的金属板的尺寸为500mm×500mm×15mm，凹槽宽度10mm，深度5mm，凹槽间隔10mm；通孔直径9mm，间隔9mm；金属板大小和金属板间距根据每次零件的摆放位置和数量调整。待氮化处理的多个工件分别放置在相邻两金属板之间，因金属板带有圆孔，这就可以保证金属板能被大量的离子撞击，提高氮化质量，金属板的空心阴极结构可以进行辐射加热。

本发明提出的一种基于上述空心阴极装置进行氮化处理方法，实施例在空心阴极离子源渗氮炉设备进行，包括以下：

1)本实施例处理对象为多个奥氏体不锈钢材质的零件(本发明方法可以适用于任意成分和形状的奥氏体不锈钢，本实施例使用直径20mm厚度6mm的圆饼状奥氏体，两金属板距离零件50mm)，依次用标号为240#、400#、800#、1000#、1500#、2000#的SiC砂纸将零件表面磨平、抛光；用酒精对已经打磨好的零件表面进行清洗，洗掉零件表面的油污等；

2)将多个零件放入真空渗氮炉内安装空心阴极装置的两金属板之间，与电源阴极相连，盖上炉盖，打开抽气泵对渗氮炉抽真空,并通冷却水；当抽真空至5-15Pa(本实施例10Pa,可从压力指示器上看数值，压力、温度、电压、电流气体流量等都可在控制系统的电脑上显示)，调节工作电压(700-900V)和占空比(70％-80％)，然后打开氨气瓶，调节流量计给气气压维持在400-450Pa(本实施例450Pa)；

3)对真空渗氮炉内零件进行升温，调节电流、压强(通过调节氨气瓶上的流量计控制压强，保证空心阴极放电稳定的情况下，升温速度为15-25度/min，升温速度慢时可加大电流和压强，放电不稳时可减小电流和压强)，直至升温到500℃-550℃温度(本实施例参数为530℃)；

4)当升温到所需温度(530℃)后，对零件进行保温并开始计时，保温时间可为0.5h-1.5h，(本实施例保温1h)。在保温过程中，调节电流、电压或气压(当保温阶段温度继续上升，说明电流密度太大，需要减小；当温度下降则说明电流密度太小，需要增大，这时就可以增大电压或者气压)以保证其波动的范围(温度波动范围控制在1-2℃)不要太大；

5)当达到所设的保温值保温结束后,再对零件进行随炉冷却；

6)当零件冷却到300℃以下，冷却阶段结束后，打开炉子拿出零件，氮化处理结束。关闭设备时应先关气，再关流量计，最后关电源。

本发明的工作原理：由产生空心阴极放电的机理可知,产生空心阴极放电时,电子是在两极板之间d/2的等幅振荡,而此时正好为大于但是接近于电子在所充入气体的平均自由程,即

d＝2ke

其中，d为两阴极板间的距离；e为电子平均自由程；k为强度系数。

电子平均自由程为：

公式中K为波尔兹曼常数，T为工作温度，r为工作气体的分子半径，P为工作气压。

当k值大于而接近于1/2时,也即d大于且接近于λe,此时电子获得最大的动能势能转换。如果在负辉区与气体原子碰撞则其产生的电离的机率最高。虽然产生碰撞而因两极阴极位降区比较靠近,许多高能电子能够从一阴极位降进入另一阴极位降区,电子在两极之间做d/2振幅的摆动比例最大,故为产生空心阴极的最强间距。而K值增大时,则意味着间距增大,此时如果从一阴极位降加速的电子在负辉区里产生碰撞或激发过程,而其能量消耗后进入另一极板的阴极位降区的高能粒子数则因间距增大而减少,也即使能产生“振荡”的电子数比例减少,空心阴极放电强度降低。

空心阴极点燃的关键首先是可在阴极表面建立起稳定的等离子鞘层(阴极位降区),否则便不能形成自持放电。阴极位降区公式为

d_c＝[(K_iV_c²)(1+γ)/(nj₀)]^1/3

d_c为阴极位降区宽度；K_i为电子漂移率；V_c为阴极位降区电压；γ为汤生第二电离系数；j₀为起始电流密度。可以看出，阴极位降区的宽度是随电压V的增加呈单调递增趋势。增加电压(设备工作电压在700-900V)加快阴极空间内电子的运动速度，有利于空心阴极效应的生成，在这个电压下加空心阴极结构可比传统离子氮化离化率(10％-20％)高3-6倍，增加了等离子体密度。

本实施例氮化处理得到的结果进行分析比较如下：

图3为渗氮层SEM图所示，其中：(a)是零件刚到530℃就停止加热即保温0h，(b)是零件530℃下保温1h，(c)是零件530℃下保温5h，(d)是零件在450℃下传统离子氮化保温10h。刚到温(即0h)时，表面形成较薄2.6μm的氮化层。在530℃保温1h，氮化层约8μm，具有良好的耐腐蚀性。传统离子氮化保温10h的氮化层厚度也是约8μm，说明基于空心阴极的离子渗氮1h产生的氮化层与传统离子氮化10h的厚度相同。保温5h后，氮化层厚度达到18μm，但伴有黑色物相析出。

经本发明方法的渗氮处理的试样，都出现了新的较宽的衍射峰S(111)和S(200)。保温时间延长为5h时，XRD图谱主要由是CrN和马氏体α相为主。随渗氮处理时间的延长，在高温下亚稳态的S相发生转变：S→CrN+α，有氮化析出物和缺陷出现。

随处理时间的延长，硬度不断升高。渗氮1h试样的表面硬度值增加到800-900HV_0.1。当处理时间达到5h，硬度值达到1100HV_0.1左右。在450℃下渗氮10h时，硬度值在800-900HV_0.1，和530℃保温1h的硬度无差别。

如图4所示将未处理和氮化零件进行电化学腐蚀试验，其中：4.1是零件未做处理的极化曲线，4.2是零件530℃保温0h处理的极化曲线，4.3是零件530℃保温1h处理的极化曲线，4.4是零件530℃保温5h处理的极化曲线，4.5是零件450℃传统离子氮化保温10h处理的极化曲线。在含氯离子腐蚀介质中,短时处理0h和1h零件的点蚀电位升高了0.2V，即使在电压0.8V时，腐蚀电流也比未处理零件低。这是快速渗氮在表面制备了较厚的S相层，其耐蚀性较好，能够阻碍腐蚀液尤其是氯离子的侵入。450℃传统离子氮化10h，零件自腐蚀电位低于530℃空心阴极氮化处理0h和1h的零件，说明耐腐蚀性能要比530℃空心阴极氮化处理0h和1h差，电压在0.5V以上时腐蚀电流低于530℃渗氮1h零件的腐蚀电流。渗氮5h零件的耐蚀性能下降，这是因为在表层形成CrN和α相等多种物相，异相之间形成电偶腐蚀，耐蚀性能恶化。

本发明渗氮0.5-1.5h试样表面未发现点蚀现象，表明高温快速渗氮工艺提升了奥氏体不锈钢的耐点蚀性能。高温快速氮化可以有效处理AISI304奥氏体不锈钢，在表面制备了不同厚度和结构的氮化层，明显提升了基体的硬度。在高温530℃下，较短的处理时间内(0.5-1.5h)，可制备无CrN析出的单一S相氮化层，氮化层厚度不小于450℃传统离子氮化10h的厚度；电化学腐蚀实验表明与450℃传统离子氮化10h相比，高温短时间(0.5-1.5h)的氮化零件提升了在NaCl溶液中的耐点蚀性能。