本发明专利技术提供一种电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置及其方法，包括：加磁组件、加热冷却组件、炉体、夹持组件及渗碳组件，其处理过程包括：预处理、抽真空升温、电磁控深渗碳，降温冷却等四步工序：预处理充分清理钢铁材料表面后，在真空环境下，对钢材施加多级梯度磁场，实施电磁控深渗碳处理，最终获得渗碳层多级分布的高强、高韧、高耐磨的异构钢铁材料。
【技术实现步骤摘要】
一种电磁控深钢铁表面化学处理装置及其方法
本专利技术涉及的是一种电磁控深钢铁表面化学处理装置及其方法，属于异构钢铁材料制备领域。
技术介绍
钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域，尤其是在一些高速运转的机械设备上。随着科学技术和现代工业的发展，机械设备运转速度的显著增加对零件的耐冲击和耐磨损性能提出了更高的要求。钢铁材料合理的表面硬化处理可防止零件过早受损，显著提高整体机件运行的稳定性，从而保证设备的生产效率。经对现有技术文献检索发现，X.L.Wu等人在《ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica》美国科学院院报，2014，111：7197-7201上发表的“Extraordinarystrainhardeningbygradientstructure”(超高应变硬化梯度结构材料)一文中，介绍了一种利用高速弹丸轰击实现钢铁材料表面的强化方法，该方法可诱导钢铁材料表层晶粒纳米化，显著提高零件的力学性能和使用寿命。但是，该技术对表面施加的大塑性变形，加工后零件表面粗糙度难以保证，而进一步的精加工则会破坏表面纳米化效果。并且，由于弹丸的粒径限制，对于形状复杂的零件，不可避免的存在加工死区，难以实现整体强化。此外，材料表面纳米化的设备成本和加工成本都较高，生产应用存在局限性。进一步检索发现，中国专利技术专利CN109338276A介绍了一种钢材零件的均匀渗碳处理工艺。其原理是，将清洗和烘干后的钢件放入渗碳炉内，并向渗碳炉内喷入液态的甲醇对钢件进行初次渗碳处理，再将初次渗碳处理后的钢件放入工业渗碳炉中进行二次渗碳处理。该渗碳工艺的特点是：(1)经过初次渗碳和二次渗碳处理，减少渗碳时出现的内氧化；(2)配合渗碳炉和气旋转渗碳使用，提高了钢件的韧性和可塑性，降低渗碳处理的成本。但是，均匀渗碳存在如下局限性：(1)渗碳层厚调控手段单一，对高碳层厚度控制精度较低，对于壁厚不均匀零件，难以实现硬化层多级调控；(2)渗碳处理后，零件表面含碳量显著提高，焊接性能和耐腐蚀性能大幅下降。
技术实现思路
为了解决上述技术存在的不足，本专利技术目的在于提供一种电磁控深钢铁表面化学处理装置及其方法。实现本专利技术目的的技术方案包括：一种电磁控深钢铁表面化学处理方法，包括：预处理、抽真空升温、电磁控深渗碳、降温冷却四步工序，具体包括以下步骤：第一步，预处理：将需要进行渗碳的钢材进行表面预处理，通过打磨、除油、酸洗等方式清理表面杂质及氧化物；第二步，抽真空升温：将钢材装夹在真空试验炉中的样品夹上，用密封装置密封真空试验炉；打开真空泵抽真空，当炉内气压在1000Pa以下时关闭真空泵，调节控温仪器将加热温度控制在900-1300℃，保温10-45min，确保钢材受热均匀；第三步，电磁控深渗碳：打开电磁阀，将高纯度的丙烷和乙炔作为渗碳剂滴注到真空试验炉中，进行化学分解；活性原子吸附在钢材表面，溶于奥氏体中并形成间隙固溶体；当碳浓度超过该温度下奥氏体饱和浓度时可形成金属化合物(碳化物)。对励磁线圈进行通电，通过励磁控制器控制磁场强度；移动伸缩装置，对钢材上需要施加多级梯度磁场作用的区域进行加磁。利用氧探头监控炉内碳势，当渗碳层深度达到额定值后，关闭电磁阀，停止供气，在真空条件下扩散、形成多级渗碳层浓度梯度，扩散后调节控温仪器将温度降至800-900℃保温30min；第四步，降温冷却：渗碳结束后关闭加热组件，进行随炉冷却降温，当炉内温度降到室温时，打开废气出口撤真空，关闭加磁组件降磁，打开密封装置取出钢材。本专利技术与现有技术相比具有显著优点：1.本专利技术可以对棒材、板材、以及其他复杂结构工件进行渗碳处理，并且不会破坏处理工件的形状和表面结构；2.本专利技术可以精确控制渗碳工件的渗碳部位，提高了渗碳部位的耐磨性，同时保留了多级梯度磁场控制部位的可焊接性能，再则所获的材料具有高强高韧的异构特性，能满足特定的工业需求；3.本专利技术可以通过调节多级受磁强度和渗碳时间两个参数，控制渗碳的深度，从而达到调控强度分布的目标，其操作简单，易于进行工业化生产；4.本专利技术利用多级梯度磁场控制碳的扩散，可以对薄壁轴承的滚道处和表面进行不同程度的渗碳，该方法可控性强，降低了生产成本，缩短了生产周期。附图说明图1为本专利技术的装置示意图。其中1为熔炉，2为水冷套，3为励磁线圈，4为样品夹，5为加热棒，6为真空泵，7为电磁阀，8为热电偶，9为样品，10为氧探头，11为冷却水入口，12为冷却水出口，13为渗碳剂入口，14为废气出口。图2为本专利技术制备的异构钢铁材料中碳分布的微观组织示意图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例做进一步的详细阐述，本实施例在以本专利技术技术方案为前提的情况下进行实施，给出详细的实施方法和操作过程，但是本专利技术的保护范围不限于以下阐述的实施例内容。本专利技术制备过程的原理是：在顺磁性的奥氏体区渗碳时，随着磁场强度的提高，磁致伸缩作用会产生晶格畸变，使得碳的扩散系数和扩散距离呈下降趋势，从而对渗碳扩散起抑制作用。因此利用多级梯度磁场控制碳在钢铁材料中的扩散，可实现以多级受磁强度调控渗碳组织，进而达到调控强度分布的目标，获得高强、高韧、高耐磨的异构钢铁材料。制备高强、高韧、高耐磨的异构钢铁材料。具体是利用多级梯度磁场控制碳在钢铁材料中的扩散速率，以多级受磁强度调控渗碳组织，进而调控多级强度分布，获得高强、高韧、高耐磨的异构钢铁材料。本专利技术使用的装置如下：该装置包括加磁组件、加热冷却组件、炉体、夹持组件及渗碳组件，如图1所示。加磁组件为励磁线圈和励磁控制器。加热冷却组件包括水冷套、加热棒、热电偶和控温仪器，热电偶和控温仪器一起控制所述加热棒的温度。炉体为透明的熔炉，其耐高温、耐腐蚀、热稳定性能好，同时透光性好，便于观察和调节样品在管中的位置。熔炉两端开口，由密封装置密封，密封装置上有冷却水入口、冷却水出口和废气出口。夹持组件为可伸缩的不锈钢金属杆和不锈钢样品夹，可以调节试样在熔炉中的位置。渗碳组件为渗碳气体电磁阀和氧探头。电磁阀用来控制渗碳剂的滴注量，氧探头用来监控炉内碳势。选用直径为10mm的商用Q235棒材作为电磁控深材料。(1)预处理：将Q235棒材依次用800号、1200号和1600号砂纸打磨，除去棒材表面的铁锈和氧化膜，用丙酮除去表面的油污，并进行酸洗去除表面氧化膜，对需要施加磁场的部位做好标记。(2)抽真空升温：将预处理好的棒材装夹在如图1所示的实验炉中的样品夹上，用密封装置密封。将需要加磁的部位放置在磁场范围内，打开真空泵抽真空，当炉内气压在1000Pa以下时关闭真空泵，调节控温仪器将加热温度控制在900-1300℃，保温10-45min，确保钢材受热均匀。(3)电磁控深渗碳：打开电磁阀，将高纯度的丙烷和乙炔作为渗碳气体通入到炉子中，设置气体流量为0.3-本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置，其特征在于，包括：加磁组件、加热冷却组件、炉体、夹持组件及渗碳组件；加磁组件包括：励磁线圈和励磁控制器，励磁线圈环绕在炉体外侧；其中：励磁线圈中通过变化的电流，线圈中心就会产生磁场，励磁控制器通过控制电流变化率进而控制磁场强度。/n
【技术特征摘要】
1.一种电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置，其特征在于，包括：加磁组件、加热冷却组件、炉体、夹持组件及渗碳组件；加磁组件包括：励磁线圈和励磁控制器，励磁线圈环绕在炉体外侧；其中：励磁线圈中通过变化的电流，线圈中心就会产生磁场，励磁控制器通过控制电流变化率进而控制磁场强度。
2.根据权利要求1所述的电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置，其特征在于，加热冷却组件包括：水冷套、电阻丝、热电偶和控温仪器，其中，水冷套包覆在炉体最外层，第二层为电阻丝，热电偶和控温仪器一起控制所述电阻丝的温度。
3.根据权利要求1所述的电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置，其特征在于，炉体包括：石英管和密封装置，石英管水平放置，密封装置位于石英管两端，其中，石英管为透明，石英管两端开口，由密封装置密封，两端各有一个气体入口和气体出口。
4.根据权利要求1所述的电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置，其特征在于，夹持组件包括：不锈钢金属杆和不锈钢夹具，不锈钢金属杆安装在右侧密封装置上并位于石英管内部，不锈钢夹具位于不锈钢金属杆左端，其中，不锈钢金属杆可以伸缩，调节试样在炉体中的位置。
5.根据权利要求1所述的电磁控深异构钢铁材料表面化学处理装置，其特征在于，渗碳组件包括：渗碳气体电磁阀和氧探...
【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，徐涛，高波，肖礼容，陈雪飞，曹阳，李玉胜，聂金凤，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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