一種氮弧原位冶金預鋪設氮化物實現鋼表面增氮的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及材料表面處理領域，具體為一種利用氮弧原位冶金預鋪設氮化物 實現鋼表面增氮的方法，適用于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等表面的高強耐蝕化處理。
【背景技術】
[0002] 常用表面的增氮方法有氣體滲氮和離子滲氮。
[0003] 氣體滲氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮）或多段(二段、三段)滲氮法。前者是在 整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480~520°C之間，氨氣分解 率為15~30%，保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴、硬度要求高的零 件，但處理時間過長。多段滲氮是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨 分解率、不同時間進行滲氮和擴散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時，能獲得較深的滲 層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大。
[0004] 離子滲氮是利用輝光放電原理進行的。與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮其特點 是:①可適當縮短滲氮周期;②滲氮層脆性小;③可節約能源和氨的消耗量;④對不需要滲 氮的部分可屏蔽起來，實現局部滲氮;⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化 膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮;⑥滲層厚度和組織可以控制。但是其設備控制復雜， 爐溫的均勻性不好。
[0005] 綜上可知，常用的這兩種滲氮方法，滲氮前需要預備熱處理調質和預備熱處理去 應力處理，同時滲氮零件的表面粗糙度Ra應小于1.6um等等限制。滲氮處理工藝的周期長、 滲氮層薄、溫度控制要求嚴、對零件的表面預處理要求嚴格、設備控制復雜。兩種氣體滲氮 方法都需要在密閉的環境中進行，且耗時長，滲氮層薄、增氮量低、增氮層成分不可調。
[0006] 其他表面處理技術，如傳統熱噴涂、噴焊以及堆焊也可用于材料表面的增氮處理。 表面熱噴涂增氮法屬于氮化物陶瓷噴涂技術，并不是冶金結合，同時熱噴涂法對基材表面 的預處理要求比較高，需要進行粗化處理，且對噴涂粉的顆粒直徑要求比較高。傳統的噴焊 技術可以使粉末或焊絲，能夠與母材形成冶金結合，但是噴焊層的稀釋率高，一般約5%~ 10%，且需要預熱處理，噴焊材料的熔點要求比基體熔點低，同時，在噴焊過程中，噴焊的高 氮層的成分不可調。堆焊一般用焊絲，堆焊層成分只能是焊絲成分，堆焊層成分不可設計， 即用堆焊方法對鋼表面進行增氮處理，所獲得的增氮層的成分不可設計。
[0007] 中國專利（201310398151.2)公開了一種使用高速氧燃料熱噴涂和等離子滲氮用 于模具補整和修復的方法及系統。所獲得的增氮層成分不可設計、厚度薄，且對合金粉末顆 粒直徑要求嚴格。中國專利(201110309131.4)涉及一種基于零件再制造修復的反應氮弧熔 覆耐磨涂層制備工藝。將調制的漿料涂覆在零件表面烘干后，用氮弧熔敷，漿料中不含氮元 素，僅靠氮弧增氮效果不明顯，且烘干需要時間，若沒有完全烘干可能會引起氫致裂紋。而 本實用新型直接將氮化物合金粉末鋪設在待處理的鋼表面上，采用氮弧原位冶金，不需要 增加烘干工藝，且采用了氮化物和氮弧聯合增氮技術，增氮效果明顯且耗時短。中國專利 (201310650075.X)公開了一種用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法，具體為通過真空 凈化充高壓氮氣條件用等離子弧加氮熔煉鋼坯，而本實用新型不需要加真空，且增氮量遠 遠超過用等離子弧加氮冶煉含氮金屬材料的方法。 【實用新型內容】
[0008] 本實用新型的目的在于提供了一種氮弧原位冶金預鋪設氮化物實現鋼表面增氮 的方法及其裝置，
[0009] 本實用新型一種氮弧原位冶金預鋪設氮化物實現鋼表面增氮的方法及其裝置的 技術方案為：
[0010] -種氮弧原位冶金預鋪設氮化物實現鋼表面增氮的方法，其包括步驟如下：
[0011] 步驟1，通過目標高氮鋼層的目標合金成分，確定鐵元素含量I% ;選擇低碳鋼作 為母材；
[0012] 根據高氮鋼層的目標合金成分，確定所需的作為鋪粉原料的合金粉末中合金元素 i的含量Wif%比，經修正關系式Wif修正％?Wif%X (1+yi+U修正后得到粉末中合金元素i 含量的修正值Wif修正％，并配制合金粉末；其中yi為燒損系數，yi = 0.2%~5%|為散射飛 濺損失系數，I = 2%~8% ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不為鐵；
[0013] 步驟2,根據目標高氮鋼層中除鐵元素之外的合金元素i的含量Wi%與鐵元素含量 的關系式之階％: 得到所有合金元素與鐵元素的成分比a:比確定單位面積上 /二1 合金粉末質量與單位面積上恪入恪池的鋼母材質量mgt謝比為a: 0;
[0014] 步驟3,根據堪|^=a:0，可得高氮鋼層恪合比
確定恪入高氮鋼 層的鐵基材的厚度h = BXW，B為目標高氮鋼層的厚度；確定合金粉末層厚度Hf，其滿足
;1(為合金粉末層熔化凝固成固體塊的厚度減少系數，K = 0.4-0.9;
[0015] 步驟4,啟動焊接裝置，采用焊接電流I和焊接速率v，采用厚度為h的低碳鋼母材， 厚度為M?的合金粉末，進行堆焊，最終獲得目標厚度的高氮鋼層。
[0016] 進一步的，焊接電流選擇I為80A~200A;
[0017] 焊接速率v，選擇v為3mm/min~16mm/min;采用10%Ar+90%N2混合氣作為焊接保 護氣，氣流速率為l〇L/min~35L/min。
[0018] 為使上述方法能夠順利進行，避免保護氣吹散鋼表面預鋪置的氮化物合金粉末， 本實用新型對非熔化極氣體保護焊槍噴嘴結構進行了改進設計。
[0019] -非熔化極氣體保護焊槍;所述的非熔化極氣體保護焊槍噴嘴為半面缺口式結 構，所述的缺口背對焊接方向；
[0020] 所述的非熔化極氣體保護焊槍的噴嘴內壁連有限流隔板;所述的限流隔板3由兩 塊上底邊重合的梯形板拼合。
[0021] 所述的噴嘴出口半徑r為5-8mm。
[0022] 所述的梯形板上底為2-5mm，下底為8-10mm。
[0023] 所述的梯形板上底邊距噴嘴距離為30-50mm，梯形板下底距噴嘴口距離為4-8mm。 [0024]本實用新型與現有技術相比具有以下顯著優點：
[0025] 1、本實用新型提供的方法可以在短時間內實現鋼表面增氮并高氮鋼化，獲得的增 氮層厚度可達幾毫米甚至厘米級，且增氮層成分可設計；
[0026] 2、通過外加鐵粉和鋼基材聯合添加鐵元素時，調節合金粉末中鐵粉的含量可以控 制鋼基體恪入尚氣鋼層的厚度。即鋼基體恪入尚氣鋼層的厚度可調；
[0027] 3、采用帶限流隔板的半面缺口式噴嘴，可有效控制保護氣流向，避免預鋪置的合 金粉末被吹散；
[0028] 4、本實用新型提供的方法不僅實現了鋼表面增氮效果，還可以添加其他有益合金 元素，實現鋼表面高氮鋼化，所獲得的增氮層具有良好的高強耐蝕性能。獲得的增氮層與鋼 基體之間是冶金結合，結合強度高。
【附圖說明】
[0029] 圖1為氮弧原位冶金預鋪置氮化物實現鋼表面增氮的方法的裝置結構示意圖；
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