阅读说明：本技术 气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法 (Composite treatment method for gas nitrocarburizing and post-oxidation process ) 是由 史文 胡俊豪 顾晓文 高新宇 祖武杰 赵桐 于 2019-12-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气体氮碳共渗及后氧化复合处理方法,步骤如下：气体氮碳共渗处理,在工件表面依次生成扩散层和白亮层；第一段氧化工艺：通入水蒸气与氮气混合气体,氧化温度为430～450℃,氧化时间为25～35min；停止通入水蒸气,调节氮气流量,升温至第二段氧化温度；第二段氧化工艺：通入水蒸气与氮气混合气体,氧化温度为520～540℃,氧化时间为10～20min；冷却出炉,零件上油及烘干。本发明在氧化阶段利用二段阶梯式氧化方法,在白亮层表面形成两层氧化层：内层为致密氧化层,具有优异耐腐蚀性能、物理隔绝性；而表层为疏松氧化层,则具有更好的后道上油效果。发明工艺形成的氧化层可极大地提升零件的耐腐蚀性能。(The invention discloses a gas nitrocarburizing and post-oxidizing composite treatment method, which comprises the following steps: performing gas nitrocarburizing treatment, and sequentially generating a diffusion layer and a white bright layer on the surface of the workpiece; the first stage of oxidation process: introducing mixed gas of water vapor and nitrogen, wherein the oxidation temperature is 430-450 ℃, and the oxidation time is 25-35 min; stopping introducing the water vapor, regulating the flow of nitrogen, and heating to a second-stage oxidation temperature; and (3) a second-stage oxidation process: introducing mixed gas of water vapor and nitrogen, wherein the oxidation temperature is 520-540 ℃, and the oxidation time is 10-20 min; cooling and discharging, oiling and drying the parts. In the oxidation stage, a two-stage step oxidation method is utilized to form two oxide layers on the surface of a white bright layer: the inner layer is a compact oxide layer and has excellent corrosion resistance and physical isolation; and the surface layer is a loose oxide layer, so that the subsequent oiling effect is better. The oxidation layer formed by the process can greatly improve the corrosion resistance of the part.)

气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料表面改性工艺方法，特别涉及一种气体氮碳共渗的金属材料表面复合处理工艺方法，应用于金属材料热处理技术领域。

背景技术

气体氮碳共渗及后氧化的复合处理工艺是由QPQ盐浴复合处理工艺发展而来的一种新型表面改性工艺，不仅可以极大地提高零件的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，而且克服了QPQ盐浴处理时工艺环境恶劣、废盐废水难以处理等一系列环保问题。首先通过气体氮碳共渗处理在金属基体表面依次形成扩散层以及白亮层，以提升零件的硬度和耐磨性；之后对零件进行水蒸气氧化处理，在白亮层表面生成一层厚度为1～3μm的Fe₃O₄氧化层。Fe₃O₄具有很高的化学稳定性，可显著提高零件的耐腐蚀性能。

气体氮碳共渗及后氧化复合处理工艺因其操作简便、无污染、处理温度低等特点，已广泛应用于钢铁零件的表面改性处理。但是在企业的氧化生产工作中，通常采用的都为一段氧化工艺：通过一定的氧化温度、时间在工件表面生成一层厚度适中的氧化层即可。通过调整氧化温度、时间氧化层的厚度很容易达到要求，但是零件的整体耐腐蚀性能是偏低的。这是因为一段氧化工艺下，若采取较低的氧化温度(如440℃)，表面氧化层非常致密，物理隔绝性好，但是非常不利于后续上油效果，且形成目标厚度的氧化层也需要更长的氧化时间；若采取较高的氧化温度(如530℃)，氧化层则会产生很大的疏松度，虽对后续上油效果有极大的促进作用，但是腐蚀介质一旦穿透油层后腐蚀速率会迅速增加；而采取适中的氧化温度(如500℃)，氧化层既不够致密，疏松程度也不足以促进上油效果。

因此，在这种情况下，需要开发一种新型氧化工艺，将氧化层组织生长规律与零件表面氧及后续上油工序有机结合起来，既可满足氧化层耐腐蚀性能的需求，又可促进后续上油效果，从而提升零件的整体耐腐蚀性能，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法，利用二段氧化法提升钢铁零件耐腐蚀性能，进行气体氮碳共渗及后氧化复合处理，制备耐腐蚀复合层，明显提升钢铁零件的耐腐蚀性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法，包括以下步骤：

a.气体氮碳共渗处理：

对工件的金属基体表面进行气体氮碳共渗处理，从而在工件表面向外依次生成扩散层和白亮层；气体氮碳共渗处理目的是在工件表面生成一定厚度的白亮层与扩散层，提高零件的硬度，工艺参数根据实际产品需求确定；

b.第一段氧化工艺过程：

将在所述步骤a中完成气体氮碳共渗处理过程的工件处于氧化气氛中，通入水蒸气与氮气的混合气体，控制氧化温度为430～450℃，氧化时间为25～35min，进行第一段氧化工艺，使工件的白亮层表面生成Fe₃O₄氧化层，形成致密氧化层；

c.升温过程：

在所述步骤b中完成致密氧化层制备过程后，停止通入水蒸气，调节氮气流量，升温至第二段氧化工艺的目标温度；

d.第二段氧化工艺过程：

继续通入水蒸气与氮气的混合气体，控制氧化温度为520～540℃，氧化时间为10～20min，进行第二段氧化工艺，继续工件的致密氧化层之外生成Fe₃O₄氧化层，形成疏松氧化层；

e.在所述步骤d中完成疏松氧化层制备过程后，停止通水蒸气并将工件进行冷却后，然后出炉，将疏松氧化层作为零件的油料涂覆表层，然后在零件进行上油及烘干，得到具有耐腐蚀复合层的零件。

作为本发明优选的技术方案，进行气体氮碳共渗处理时，控制氮化温度不低于560℃，氮化时间至少3h，气体为NH₃、N₂以及CO₂的混合气体。

作为本发明优选的技术方案，进行第一段氧化工艺过程时，控制氧化温度为440～450℃，氧化时间25～30min，通入气体为水蒸气与氮气的混合气体，流量根据实际炉膛体积进行确定，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积1.5～2.5L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1～1.5m³/h。作为本发明进一步优选的技术方案，进行第一段氧化工艺过程时，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积1.8～2.5L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1.2～1.5m³/h。

作为本发明优选的技术方案，进行升温过程时，调节氮气流量为每立方米炉膛体积3～5m³/h。作为本发明进一步优选的技术方案，进行升温过程时，调节氮气流量为每立方米炉膛体积4～5m³/h。

作为本发明优选的技术方案，进行第二段氧化工艺过程时，控制氧化温度为530～540℃，氧化时间为10～15min，通入气体为水蒸气与氮气的混合气体，流量根据实际炉膛体积确定，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积1.5～2.5L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1～1.5m³/h。作为本发明进一步优选的技术方案，进行第二段氧化工艺过程时，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积1.8～2.5L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1.2～1.5m³/h。

作为本发明优选的技术方案，在完成疏松氧化层制备过程后，在冷却过程中停止通水蒸气，并调节氮气流量为每立方米炉膛体积3～5m³/h，使工件随炉冷至80～180℃后出炉；然后在上油工艺中，浸油时间为3～8min，烘干时间为2～5min，烘干温度60～120℃。作为本发明进一步优选的技术方案，在完成疏松氧化层制备过程后，调节氮气流量为每立方米炉膛体积4～5m³/h，使工件随炉冷至120～180℃后出炉；然后在上油工艺中，浸油时间为不低于6～8min，烘干时间为3～5min，烘干温度100～120℃。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法在气体氮碳共渗后，采用二段阶梯式的水蒸气氧化工艺，先是采用较低的氧化温度在白亮层表面形成一层致密的氧化层；之后再使用较高温度进行第二阶段的氧化处理，继续在表面生成一层较为疏松的氧化层；内层致密的氧化层具有优异的耐腐蚀性能及物理隔绝性，保护基体不被腐蚀；而表层疏松的氧化层则可有效促进防锈油的渗入，充分发挥了防锈油的防锈作用，使零件的耐腐蚀性能进一步提高；

2.本发明方法将氧化层组织生长规律与零件表面氧及后续上油工序有机结合起来，既可满足氧化层耐腐蚀性能的需求，又可促进后续上油效果，从而提升零件的整体耐腐蚀性能；

3.本发明方法工艺简单，效果明显，易于实现，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例一方法制备的氧化层金相组织照片。

图2为本发明实施例一方法制备的第一阶段氧化后氧化层表面扫描电镜照片。

图3为本发明实施例一方法制备的第二阶段氧化后氧化层表面扫描电镜照片。

图4为本发明实施例一方法制备的零件试样与常规一段氧化工艺试样盐雾锈蚀实验结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

在本实施例中，一种气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法，包括以下步骤：

a.气体氮碳共渗处理：

对工件的金属基体表面进行气体氮碳共渗处理，控制氮化温度为560℃，氮化时间为3h，气体为NH₃、N₂以及CO₂的混合气体，从而在工件表面向外依次生成扩散层和白亮层；气体氮碳共渗处理目的是在工件表面生成一定厚度的白亮层与扩散层，提高零件的硬度，工艺参数根据实际产品需求确定；

b.第一段氧化工艺过程：

将在所述步骤a中完成气体氮碳共渗处理过程的工件处于氧化热处理炉的氧化气氛中，通入水蒸气与氮气的混合气体，控制氧化温度为440℃，氧化时间为30min，流量根据实际炉膛体积进行确定，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积1.8L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1.2m³/h，进行第一段氧化工艺，使工件的白亮层表面生成Fe₃O₄氧化层，形成致密氧化层；

c.升温过程：

在所述步骤b中完成致密氧化层制备过程后，停止通入水蒸气，调节氮气流量为每立方米炉膛体积4m³/h，升温至第二段氧化工艺的目标温度530℃；

d.第二段氧化工艺过程：

继续通入水蒸气与氮气的混合气体，控制氧化温度为530℃，氧化时间为15min，流量根据实际炉膛体积确定，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积1.8L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1.2m³/h，进行第二段氧化工艺，继续工件的致密氧化层之外生成Fe₃O₄氧化层，形成疏松氧化层；

e.在所述步骤d中完成疏松氧化层制备过程后，停止通水蒸气并将工件进行冷却后，并调节氮气流量为每立方米炉膛体积4m³/h，使工件随炉冷至120℃后出炉；然后将疏松氧化层作为零件的油料涂覆表层，在零件进行上油及烘干，控制浸油时间为6min，烘干时间为3min，烘干温度100℃，得到具有耐腐蚀复合层的零件。

实验测试分析：

将本实施例制备的具有耐腐蚀复合层的零件进行实验测试分析，由图1氧化层金相照片，二段氧化法形成的氧化层组织均匀，平均厚度约为2.7μm；由图2和图3氧化层表面扫描电镜照片，第一段氧化后表面氧化层是致密的，而第二段氧化后氧化层表面是具有一定的疏松度；由图4可以看到经过二段氧化工艺处理后试样整体盐雾锈蚀时间明显高于其他两种常规氧化工艺。本实施例方法在氧化阶段利用二段阶梯式的氧化热处理方法，在白亮层表面形成两层氧化层：内层为致密的氧化层，具有优异的耐腐蚀性能、物理隔绝性；而表层为疏松的氧化层，则具有更好的后道上油效果。通过此发明工艺形成的氧化层可极大地提升零件的耐腐蚀性能。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法，包括以下步骤：

a.气体氮碳共渗处理：

对工件的金属基体表面进行气体氮碳共渗处理，控制氮化温度为560℃，氮化时间为3h，气体为NH₃、N₂以及CO₂的混合气体，从而在工件表面向外依次生成扩散层和白亮层；气体氮碳共渗处理目的是在工件表面生成一定厚度的白亮层与扩散层，提高零件的硬度，工艺参数根据实际产品需求确定；

b.第一段氧化工艺过程：

将在所述步骤a中完成气体氮碳共渗处理过程的工件处于氧化热处理炉的氧化气氛中，通入水蒸气与氮气的混合气体，控制氧化温度为450℃，氧化时间为25min，流量根据实际炉膛体积进行确定，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积2.5L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1.5m³/h，进行第一段氧化工艺，使工件的白亮层表面生成Fe₃O₄氧化层，形成致密氧化层；

c.升温过程：

在所述步骤b中完成致密氧化层制备过程后，停止通入水蒸气，调节氮气流量为每立方米炉膛体积5m³/h，升温至第二段氧化工艺的目标温度540℃；

d.第二段氧化工艺过程：

继续通入水蒸气与氮气的混合气体，控制氧化温度为540℃，氧化时间为10min，流量根据实际炉膛体积确定，控制水蒸气流量为每立方米炉膛体积2.5L/h，氮气流量为每立方米炉膛体积1.5m³/h，进行第二段氧化工艺，继续工件的致密氧化层之外生成Fe₃O₄氧化层，形成疏松氧化层；

e.在所述步骤d中完成疏松氧化层制备过程后，停止通水蒸气并将工件进行冷却后，并调节氮气流量为每立方米炉膛体积5m³/h，使工件随炉冷至180℃后出炉；然后将疏松氧化层作为零件的油料涂覆表层，在零件进行上油及烘干，控制浸油时间为8min，烘干时间为5min，烘干温度120℃，得到具有耐腐蚀复合层的零件。

实验测试分析：

将本实施例制备的具有耐腐蚀复合层的零件进行实验测试分析，二段氧化法形成的氧化层组织均匀，平均厚度为2.7μm；第一段氧化后表面氧化层是致密的，而第二段氧化后氧化层表面是具有一定的疏松度；经过二段氧化工艺处理后试样整体盐雾锈蚀时间明显高于其他三种常规氧化工艺。本实施例方法在氧化阶段利用二段阶梯式的氧化热处理方法，在白亮层表面形成两层氧化层：内层为致密的氧化层，具有优异的耐腐蚀性能、物理隔绝性；而表层为疏松的氧化层，则具有更好的后道上油效果。通过此发明工艺形成的氧化层可极大地提升零件的耐腐蚀性能。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明气体氮碳共渗及后氧化工艺复合处理方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。