CN101238236B - 离子渗氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种离子渗氮方法。在诸如三聚氰胺-甲醛树脂等氨基树脂的存在下将诸如Fe合金或Ni合金等金属材料(10)加热时,所述金属材料(10)表面上的钝化膜被还原并去除。在钝化膜的还原和去除过程中,当温度高于400℃时,优选为450℃以上时,也可以进行氢溅蚀。通过辉光放电,用从氨基树脂中游离出的N对具有暴露的活性金属表面的金属材料(10)进行渗氮。例如,直接或通过利用水等溶剂将氨基树脂涂布在金属材料(10)的表面上。
Description
技术领域
本发明涉及一种在辉光放电情况下在金属材料的表面浸透并扩散氮的离子渗氮方法。
背景技术
渗氮处理是在金属材料的表面浸透并扩散氮从而形成坚固的氮化物的表面改性处理,为了硬化该表面从而提高其耐磨性,渗氮处理已被广泛使用。所述渗氮处理通常用于主要由周期表中的第8(VIIIB)族金属组成的材料,例如不锈钢等铁族合金。
由于铁族合金等被空气中的氧氧化,在该铁族合金等的表面上会自发形成氧化铁钝化膜。该钝化膜阻碍渗氮过程,导致渗氮效率降低。
因此,在渗氮处理前通常会进行去除钝化膜的处理。将不锈钢浸入氰化物水溶液等中的湿式方法已被用作常规去除处理。然而,湿式方法并不方便,这是由于氰化物是有毒的,从而使操作者有负担,并且必须在车间内安装去除装置。此外,在该方法中,需要处理使用后的废液的设备,因此增加了设备投资。
为解决上述问题,在专利文献1和非专利文献1中提出了通过溅蚀去除钝化膜的方法。在专利文献1和非专利文献1中,报道了将氢气与氮气或氢气与氨气的混合气体引入处理炉内,在该处理炉内产生辉光放电,从而生成氢离子和氨离子,并通过所述离子还原和去除钝化膜。钝化膜还原装置和氮化物扩散装置在非专利文献1中都有所描述。
此外,专利文献2中提出的方法包括下述步骤:仅将氢气引入温度低于350℃、优选低于150℃的处理炉中,并在相对低的温度开始氢气溅蚀。专利文献2中描述了H+被扩散并浸透到铁族合金类材料的内部后,将所述材料加热到等于或高于钝化膜的还原温度的温度,从而将H+转移到材料表面,因此可从内部还原钝化膜。
专利文献1:日本特公平2-2945号公报
专利文献2:国际公开第WO 01/34867号小册子
非专利文献1:高濑孝夫,Ion Nitriding Method(离子渗氮方法),Appearance of Rivalof Soft Nitriding Method,KINZOKU,1973年3月特刊,第48到54页
发明内容
当用专利文献1或非专利文献1中所述的方法从具有相对高的Cr或Ni含量的钢中还原和去除钝化膜时,由于在某些情况下H+或NH4 +的扩散深度较小,所以不能充分地去除钝化膜。在这种情况下,不利的是,通过渗氮处理所形成的化合物层或渗氮层的厚度不一致,或者仅在钢的一部分形成化合物层或渗氮层。
在专利文献2中所述的方法中,只发生了氢离子进入铁族合金类基材的扩散和浸透,钝化膜未被还原。诸如氢离子的扩散深度、渗透量和分布等扩散和浸透状况随溅蚀条件发生较大变化。当氢离子被扩散并渗透到过深的位置,或者当氢离子的渗透量过大时,氢离子通常会导致氢脆化。在内燃机的复杂部件等中,这种倾向格外显著。
因而,例如,由于氢离子的残留而使铁族合金类基材发生所谓的氢脆化,为了能够避免这种情况的发生,必须通过高度精确地控制溅蚀条件,从而使氢离子达到所期望的扩散和渗透状态。然而,为了进行如此高精度的控制,必须通过重复多次试验的烦杂操作来得到数据。
本发明的一般目的是提供一种能在安全的环境下容易并简便地实施的离子渗氮方法。
本发明的主要目的是提供一种能以较低的材料采购成本实施的离子渗氮方法。
本发明的另一个目的是提供一种能产生化合物层和渗氮层的离子渗氮方法,所述化合物层和渗氮层具有较大的厚度,而且在任何部位都是基本均匀的。
本发明的另一个目的是提供一种能避免经渗氮处理的金属材料脆化的离子渗氮方法。
本发明的一个方面提供了一种离子渗氮方法,所述方法包括向金属材料通电,从而产生辉光放电并对所述金属材料实施渗氮处理,其中,在氨基树脂的存在下对所述金属材料进行离子渗氮。
在氨基树脂的存在下加热金属材料时,氨基树脂被热分解,从中游离出C、N和H。游离的C、N和H与O反应生成HCN或NO,HCN或NO攻击钝化膜,最终使钝化膜消失。因此,在本发明中,通过在氨基树脂的存在下加热金属材料这样非常简单的方法,能容易地将该金属材料表面上的钝化膜基本上全部去除。
此外,根据物质安全数据表(Material Safety Data Sheet),氨基树脂是无毒的,因此所述方法可以在安全的环境下进行。应注意,由于上述HCN的产生量很少,只有几千ppm,并在废气燃烧中迅速分解成氮气和二氧化碳,因此并不特别需要HCN去除设备。
在加热过程中也发生了钝化膜的去除,因此在本发明中不需要去除钝化膜的温度维持步骤。因而,由于钝化膜的去除,完成离子渗氮处理所需的时间没有延长,离子渗氮处理的效率也没有降低。
氨基树脂被热分解成气相,并在金属材料周围作为氛围气存在。所述气相包含的游离的N作为金属材料渗氮用氮源。
与在氨基树脂不存在的情况下进行离子渗氮的金属材料相比,在氨基树脂的存在下进行离子渗氮的金属材料具有更高的硬度,并且其硬化区向内部延伸得更深。在本发明中,可以在不对所用气体的类型和比例、反应温度、反应时间等进行精确控制的情况下进行离子渗氮处理,只要该处理是在氨基树脂的存在下进行的即可。通过本发明的方法可以硬化各种金属材料。
因此,本发明在氨基树脂的存在下进行的离子渗氮处理简单且容易,与在不存在氨基树脂的条件下经离子渗氮处理的金属材料相比,本发明的方法能使金属材料的硬度增加得更多。此外,在本发明中,金属材料的硬化区向内部延伸得更深。
硬度增加的金属材料在耐磨性和强度方面很优异。因此,在本发明中可以得到不易磨损的高强度的金属材料。
例如,可以将氨基树脂涂布在金属材料表面。在这种情况下,优选的是采用溶剂将氨基树脂涂布在金属材料的表面,从而降低涂布的不均匀性,并使钝化膜的去除和渗氮在金属材料的任何部位都能基本均匀地进行。
可将氨基树脂与金属材料一起放入热处理炉内,从而进行加热处理来代替涂布。
所述氨基树脂是通过氨基和甲醛间的缩聚所产生的树脂。这样的树脂的代表性实例包括三聚氰胺树脂、尿素树脂、苯胺树脂和甲醛树脂。
在这些树脂中,特别优选的是三聚氰胺树脂,所述三聚氰胺树脂优选包含组成式为C6H3N9的重复单元。这种情况下,在离子渗氮处理过程结束后,树脂的残渣几乎不会附着在热处理炉内,从而使维护频度显著降低,并使维护工作能容易地进行。
可施加离子渗氮处理的金属材料的优选实例包括主要由元素周期表第8族元素组成的合金,例如Fe合金和Ni合金等。
优选的是将热处理炉用作阳极、将金属材料用作阴极来给所述金属材料通电。在这种情况下,不需要在热处理炉内设置其他电极,从而简化了结构。
附图说明
图1是显示在本发明的实施方式的离子渗氮方法中所用的发动机进气阀的示意性全体构成图;
图2是显示离子渗氮方法的温度模式的实例的图;
图3是显示并用了以渗氮气体进行离子渗氮处理的离子渗氮方法的温度模式的实例的图;
图4是显示进行氢溅蚀处理和离子渗氮处理时的温度模式的实例的图;
图5是显示在本发明的另一个实施方式的离子渗氮方法中所用的发动机排气阀的示意性全体构成图;
图6是表示由离子渗氮处理所形成的渗氮层的厚度和等离子体渗氮处理前后的Hv的图表;和
图7的图表显示发动机阀的材料,并显示将在使用三聚氰胺树脂的条件下进行气体软渗氮处理后所形成的化合物层或渗氮层的厚度和表面硬度与在不使用三聚氰胺树脂的条件下进行气体软渗氮处理后的情况所进行的比较。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的离子渗氮方法的优选实施方式进行详细描述。
本实施方式的离子渗氮方法包括:第一步骤,将氨基树脂涂布在如图1所示的发动机进气阀10(金属部件)的表面;以及第二步骤,对涂布有氨基树脂的发动机进气阀10进行离子渗氮处理。
发动机进气阀10安装于汽车的内燃机内,并且往复运动。发动机进气阀10具有宽的头部12、长的杆部14和端部16的完整结构,并由SUH11M组成。因此,发动机进气阀10是含Cr的钢材,即为含Cr的Fe合金。
在发动机进气阀10的表面,Fe合金SUH11M被空气中的氧所氧化,从而自发形成氧化物钝化膜。因此,第一步首先将氨基树脂涂布在该钝化膜上。
所述氨基树脂是通过氨基(-NH2)和甲醛之间的缩聚所形成的树脂,其代表性实例包括由下述结构式(1)所表示的三聚氰胺树脂、由下述结构式(2)所表示的尿素树脂、由下述结构式(3)所表示的苯胺树脂和甲醛树脂等。这些氨基树脂都可以以固体状或粉末状商购获得。
所述氨基树脂特别优选的是包含组成式为C6H3N9的重复单元的三聚氰胺-甲醛树脂。C6H3N9是专门用于盐浴渗氮的物质。用C6H3N9进行离子渗氮处理时,树脂的残渣几乎不会附着在热处理炉的内壁上,这是有利的。
在第一步骤,虽然可以将上述氨基树脂粉末直接涂布在所述金属材料的表面上,但优选的是把氨基树脂粉末分散在水等溶剂中制成悬浮液,将该悬浮液涂布在所述金属材料的表面。在这种情况下,可以降低涂布的不均匀性,因此可以使所形成的化合物层或渗氮层的厚度等基本上是一致的。
可以通过使用刷子的刷涂法来实现涂布。当然,也可以采用除了刷涂法以外的已知涂布技术。
将氨基树脂直接涂布或优选通过使用悬浮液进行涂布后,将发动机进气阀10和热处理炉电连接到电源上。在此过程中,将热处理炉的炉壁作为阳极、将发动机进气阀10作为阴极来连接。
然后,将发动机进气阀10放入热处理炉内,并将该热处理炉密封以开始第二步骤。开始进行热处理炉内的抽真空过程,同时开始热处理炉的升温过程。升温速度可以是3℃/分钟~5℃/分钟。
在热处理炉的升温过程中,氨基树脂开始分解。因此,氨基树脂中所含的C、N和H从中游离出来以形成HCN。在O与之反应的情况下,还生成NO。通过HCN或NO的攻击,钝化膜被还原并最终被除去。以这种方式暴露出发动机进气阀10的活性金属表面。
如上所述,根据本实施方式,通过将氨基树脂涂布至发动机进气阀10(金属材料)然后进行加热的简便操作,该发动机进气阀10表面上的几乎所有钝化膜都能被轻易除去。此外,在该方法中,可以利用热处理炉等已经存在的设备,因此不需要特别增加设备投资。
应注意的是,上述HCN的产生量很少,只有几千ppm左右,并且在热处理炉的温度升高时发生燃烧,因此不需要装配HCN去除设备。此外,在该实施方式中不需要进行例如使用氢氟酸来去除氧化物膜的处理等的任何预处理,并且氨基树脂无毒,因此该方法可以在安全的环境下进行。
如图2的温度模式所示,当将热处理炉加热到预定温度后,开始向发动机进气阀10和热处理炉通电。电流和电压分别可以是约25A和约220V~250V。随着通电的开始,在热处理炉的炉壁阳极和发动机进气阀10阴极之间产生辉光放电。
产生辉光放电时,从氨基树脂中游离出的N攻击发动机进气阀10的暴露的金属表面。结果,游离的N被浸透和扩散到金属表面内,从而使表面渗氮。
此时,由于发动机进气阀10的钝化膜已被除去,所以N不必透过钝化膜。因此,可以缩短渗氮处理所需的时间,并且可以降低热能。
此外,在该实施方式中,由于钝化膜可在进行渗氮处理的升温过程中被除去,因此该方法可以在没有特别的加热处理步骤(例如使金属材料保持在一定温度以去除钝化膜的处理)的情况下进行。因而,渗氮处理的效率不会因用氨基树脂除去钝化膜而降低。
当将N浸透或扩散到发动机进气阀10的表面内部时,形成了化合物层或渗氮层。与在除了不存在氨基树脂之外的相同条件下进行的气体软渗氮处理的情况相比,所述渗氮层或化合物层的厚度(即,氮在发动机进气阀10内的扩散距离)非常大。也即,对于在氨基树脂的存在下去除钝化膜然后对金属材料进行离子渗氮的情况来说,化合物层和渗氮层的厚度可以增加,结果,即使是发动机进气阀10的更深的部位仍可被硬化。
具体而言,在使用SUH11M的发动机进气阀10的情况下,通过传统的气体软渗氮处理所形成的化合物层的厚度约为40μm,而通过使用三聚氰胺-甲醛树脂的本实施方式所形成的化合物层的厚度约为81μm。因此,与进行传统的气体软渗氮处理所得的发动机进气阀相比,通过本实施方式的处理所得的发动机进气阀10在更深的部位具有高硬度。
本实施方式的离子渗氮处理后,通过电子探针微量分析仪(EPMA)可以观察到在发动机进气阀10上所形成的致密的马氏体。
如上所述,在本实施方式中,直接或通过使用溶剂将氨基树脂涂布在发动机进气阀10的表面,然后将该发动机进气阀10加热,从而使该发动机进气阀10上的几乎所有的钝化膜都可被容易且简便地除去。当对发动机进气阀10进行离子渗氮处理时,发动机进气阀10被基本均匀地渗氮。因此,可以降低化合物层或渗氮层的厚度不均匀性,减少没有化合物层或渗氮层的部位的产生,并使所得的发动机进气阀10即使在更深的部位仍具有较大厚度的化合物层或渗氮层,因此甚至在很深的内部都具有高硬度。
此外,在本实施方式中,除去钝化膜和实施离子渗氮处理可以使用相同的试剂。因此,可以降低材料获得成本。
炉的升温过程是连续的。例如,当温度达到520℃后,将此温度保持60分钟左右。抽真空过程也是连续的,从而使炉的内部压力维持在约0.7托~1.5托。
在上述步骤中,在将包含组成式为C6H3N9的重复单元的树脂涂布在发动机进气阀10上的情况下,树脂的残渣几乎不会附着在热处理炉的壁上。因此,可以显著降低热处理炉的维护频度,并使维护工作本身能简便而容易地进行。此外,可以增加化合物层的厚度。
温度保持步骤终止后,将温度降低到约200℃,打开热处理炉,并取出发动机进气阀10。通过离子渗氮处理在所取出的发动机进气阀10的表面形成了化合物层和渗氮层。由于这种化合物层或渗氮层的存在,所取出的发动机进气阀10的表面坚硬。
如图3所示,温度达到约500℃后,可将氨气和RX气等的混合气体通入炉内,在通气时可以保持上述温度。在这种情况下,氨气被离子化从而生成氮离子,该氮离子与还原并去除了钝化膜的发动机进气阀10的表面碰撞。发动机进气阀10的表面也被该气体渗氮,从而在该表面上形成化合物层或渗氮层。
如图4所示,辉光放电开始后,在继续升温的同时,在高于400℃的点(图4所示的点A)可以开始导入氢气,可以在通过氨基树脂还原并去除钝化膜的同时,通过氢气溅蚀将钝化膜还原并去除。例如,热处理炉的内压可以为约0.7托~1.5托。
将氢气转化为等离子态,在电场作用下,该等离子体中的H+与发动机进气阀10的表面碰撞。该H+作为扩散性氢离子进入到发动机进气阀10表面上的钝化膜内。
由于所述温度足以还原钝化膜,所以被引入的扩散性氢离子迅速与钝化膜反应。因而,扩散性氢离子攻击钝化膜以还原并去除所述膜。钝化膜的还原产生了H2O,该H2O被迅速排出体系外。
在以350℃以下的温度开始氢气溅蚀的情况下,由于钝化膜未被还原,所以氢离子仅被扩散并渗透到发动机进气阀10内。在以高于350℃且不高于400℃的温度开始氢气溅蚀的情况下,与钝化膜的还原速度相比,氢离子的扩散和渗透速度更快。
在这种情况下,诸如氢离子的扩散深度、渗透量和分布等氢离子的扩散和渗透特性都随溅蚀条件发生较大变化。例如,当电压过高时,氢离子的扩散渗透量或扩散渗透深度过度增加。因此,在400℃以下的温度范围内,必须高度精确地控制溅蚀条件,以便使氢离子得到所需的扩散和渗透特征。
相反,在以高于400℃的高温开始氢气溅蚀的情况下,扩散性氢离子与发动机进气阀10碰撞并渗透入钝化膜内,迅速导致该钝化膜的迅速还原,因此被迅速消耗。同时,氢气从发动机进气阀10的内部溢出,从而即使在电压过高时,氢离子的扩散渗透量或扩散渗透深度也没有过度增加。这样可以容易地控制钝化膜的还原和去除。
优选的是,氢气溅蚀在450℃以上的温度进行。在此温度范围内,氢离子从发动机进气阀10高速溢出,另一方面,钝化膜的还原显著加快。这样可以在不对溅蚀条件进行高度精确控制的情况下将钝化膜还原并去除。
优选的是,在温度保持过程中,除了渗氮气体外还供给氢气。在这种情况下,氢气溅蚀与离子渗氮同时进行,因此可以避免在发动机进气阀10的表面上再次生成钝化膜。渗氮气体和氢气的体积比可以是例如2∶1。
下面将描述第二个实施方式,所述实施方式包括下述步骤:将氨基树脂放入容器内,并将该容器与图5所示的发动机排气阀20一起放入热处理炉内。在第二个实施方式中,没有将氨基树脂涂布在发动机排气阀20的表面上,而是将其以粉末状态放入热处理炉内。
发动机排气阀20具有宽的头部22、长的杆部24和端部26。在从中央部位起距离头部22稍近的部位将杆部24分开。这样,杆部24就具有第一杆部28和第二杆部30,该第二杆部30比第一杆部28稍长。
头部22和第一杆部28由NCF600组成,第二杆部30和端部26由SUH11M组成。在该发动机排气阀20的表面,NCF600和SUH11M自发氧化,从而形成氧化物钝化膜。
将具有这样的结构的发动机排气阀20首先用有机溶剂等进行脱脂处理,然后与上述氨基树脂一起放入热处理炉中。然后将发动机排气阀20和热处理炉的炉壁电连接到电源,其中所述阀20作为阴极,所述炉壁作为阳极,从而开始通电。电流和电压分别可以是约25A和约220V~250V。
将氨基树脂放入热处理炉内时,氨基树脂的量可以是金属材料重量的约1%~10%。例如,当发动机排气阀20的重量为10kg时,可向容器中加入0.1kg~1kg的氨基树脂,并将其放入热处理炉内。
然后,通过以图2到图4所示的方式进行离子渗氮处理,在发动机排气阀20上形成化合物层和渗氮层。
发动机排气阀20的材料可包括诸如30Ni15Cr或75Ni15Cr等所谓的超合金。例如,当在发动机排气阀20中使用75Ni15Cr的情况下,将发动机排气阀20和三聚氰胺树脂放入热处理炉内(三聚氰胺树脂与发动机排气阀20的重量比为5%),并在辉光放电下将其在540℃保持2小时以进行离子渗氮处理,从而可形成厚度约为5μm的化合物层。
头部22和第一杆部28的材料并不限定为NCF600,可以是NCF3015、NCF440等。第二杆部30和端部26的材料也不限定为SUH11M,可以是SKH51等。通过向NCF3015、NCF440和SKH51进行上述氢气溅蚀处理和离子渗氮处理所形成的渗氮层的Hv和厚度列于图6中。在使用NCF600和SUH11M的情况下,在500℃开始渗氮处理,渗氮处理开始后20分钟,将热处理炉的温度升到520℃,并将此温度保持40分钟。另一方面,在使用NCF3015或SKH51的情况下,在520℃开始渗氮处理,停止升温,并将520℃的温度保持60分钟。
在本实施方式中,以此方法可以将钝化膜从各种金属材料的表面容易并简便地去除,从而加速渗氮处理。此外,可以在氨基树脂的存在下对任何材料进行离子渗氮,而不必对所用气体的类型和比例、反应温度和反应时间等进行精确的控制。
在离子渗氮处理中的保持温度并不限定为约520℃的上述温度。但当温度过高时,与钝化膜的还原和去除速度相比,其再生速度过快,并且所产生的氮化物扩散入发动机进气阀10或发动机排气阀20,使得渗氮层难以形成。为了防止钝化膜的再生和氮化物的扩散,所述温度优选为590℃以下,更优选为550℃以下,最优选为520℃~540℃。
虽然在上述实施方式中将铁族合金和Ni合金用作金属材料,但金属材料并不特别局限于此。所述金属材料可以是由以周期表的第8族金属元素为主要成分的金属合金(例如Cr合金等)所构成的部件。可以根据被加工材料适宜地选择等离子渗氮处理的条件,例如保持温度和处理时间等。
在上述实施方式中,以炉壁作为阳极,以发动机进气阀10作为阴极对发动机进气阀10进行通电。例如,可以将电极安装在热处理炉内,以此电极作为阳极,以发动机进气阀10作为阴极来对该发动机进气阀10进行通电。
实施例1
用图7所示的各金属材料制成发动机阀,将所述发动机阀和三聚氰胺树脂放入热处理炉中,并在520℃将发动机阀离子渗氮化60分钟。作为对比,除了不将三聚氰胺树脂放入热处理炉中之外,以同样的方式将金属材料离子渗氮化。在三聚氰胺树脂的存在下被离子渗氮化的各发动机阀的化合物层或氮化物层的厚度和表面硬度列于图7,这些数值以在没有三聚氰胺树脂的存在下被离子渗氮化的各发动机阀的相应数值的倍数表示。从图7中清楚地发现,在离子渗氮处理中通过使用三聚氰胺树脂可以增加化合物层或氮化物层的厚度和表面硬度。这意味着当在三聚氰胺树脂的存在下进行离子渗氮处理时,钝化膜被去除,并且渗氮基本均匀地扩展到金属材料内的深处。
工业实用性
在本发明中,在氨基树脂的存在下对金属材料进行离子渗氮处理。通过这种简单的步骤,各种金属材料表面上的钝化膜易于在安全的工作环境下被除去,并且该表面易于进行渗氮。因此,可以在金属材料的几乎整个表面上形成具有基本均匀厚度的化合物层和渗氮层。
此外,在本发明中,可以增加化合物层或渗氮层的厚度。换句话说,即使在内部深处的部位,金属材料也能显示出改善的硬度、强度和耐磨性等。
Claims (7)
1.一种离子渗氮方法,所述离子渗氮方法包括向金属材料(10)通电,从而产生辉光放电,以在所述金属材料(10)上进行渗氮处理,其中,在所述的渗氮处理中,在氨基树脂的存在下对所述金属材料(10)进行渗氮处理,金属材料表面的钝化膜被由氨基树脂游离的C、N和H所生成的HCN还原、除去。
2.如权利要求1所述的离子渗氮方法,其中,在进行所述的离子渗氮前,将所述氨基树脂涂布于所述金属材料(10)的表面。
3.如权利要求2所述的离子渗氮方法,其中,利用溶剂将所述氨基树脂涂布于所述金属材料(10)的表面。
4.如权利要求1所述的离子渗氮方法,其中,在所述渗氮处理前,将所述氨基树脂和所述金属材料(10)一起放入热处理炉中。
5.如权利要求1所述的离子渗氮方法,其中,所述氨基树脂是三聚氰胺树脂、尿素树脂、苯胺树脂或甲醛树脂。
6.如权利要求5所述的离子渗氮方法,其中,所述三聚氰胺树脂包含组成式为C6H3N9的重复单元。
7.如权利要求1所述的离子渗氮方法,其中,将热处理炉用作阳极,将所述金属材料(10)用作阴极来进行通电。
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