CN102108481A

CN102108481A - 一种等离子多元共渗处理方法

Info

Publication number: CN102108481A
Application number: CN 201110065512
Authority: CN
Inventors: 杨兴宽; 彭明霞; 张海涛
Original assignee: Metals and Chemistry Research Institute of CARS
Current assignee: Metals and Chemistry Research Institute of CARS
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明提供一种等离子多元共渗处理方法，包括以下步骤：步骤1)：对工件进行等离子溅射活化处理，所述活化处理的气氛包括含氢的气体，所述活化处理时电压为850V～950V，导通比为0.2～0.3，低气压为20～70Pa；步骤2)：在含氮、碳和氧的混合气氛中进行多元共渗处理，工件温度为500℃～600℃，保温时间为2～3小时，保温时电压为600～800V，气压200～400Pa；步骤3)：待工件冷却后取出。通过上述方法能在工件表面形成一层均匀、致密的扩渗层，该渗层具有良好的防锈蚀和耐磨损性能。

Description

一种等离子多元共渗处理方法

技术领域

本发明涉及对钢铁材料进行表面处理的方法，尤其涉及一种等离子多元共渗处理方法。

背景技术

目前，碳素钢、合金钢、铸铁材料等制品广泛应用于各个领域，其防锈蚀工艺主要包括电镀、喷漆、镀达克罗涂层、喷锌、喷铝、热浸镀锌、热浸镀铝等，这些涂层与基体金属的结合力主要为物理机械结合或化学键结合，因此大部分硬度低、耐磨性差，与冶金结合的渗层相比，更容易脱落、剥离。

离子渗氮法(或辉光放电氮化)是由德国人B.Berghaus于1932年发明的一种表面处理方法。该方法是在低真空含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的电压，产生辉光放电，离子化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热，同时依靠溅射、离子化及表层扩散作用等进行氮化处理。我国在二十世纪七十年代开始等离子渗氮工艺的研究，经过近四十年的发展，相继研究出等离子氮碳共渗、等离子硫氮碳共渗、等离子氧氮碳共渗、等离子渗硫等工艺，目的是增加不同材料工件的表面硬度，提高耐磨性或降低表面的摩擦系数。

气体渗氮在1923年左右，由德国人Fry首度研究发展并加以工业化。它是将工件置于氮化炉内，靠外加热源使工件升温，炉内通入含氮气氛，发生热分解，产生活性氮原子而进行渗氮处理。气体氮化经过不断发展，也开发出气体氮碳共渗、气体氮碳氧共渗等工艺，从而使被处理工件具有良好的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性。

气体多元共渗防蚀技术是在气体渗氮的基础上开发应用的，在二十世纪九十年代由中国铁道科学研究院曾耀新等人开始研发，并成功用于铸铁材料的防锈蚀处理。在二十一世纪初，气体多元共渗防锈蚀技术进一步转化用于铁路螺旋道钉的防蚀表面处理。芦笛等人的发明专利“一种采用气体多元共渗和电沉积复合技术对紧固件进行表面处理的方法”(专利号：CN200910060298.4)，也是公开的气体多元共渗处理方法与电沉积镀铜、镀镍相结合，提高工件的防锈蚀性能。西南交通大学杨川等人的发明专利“气体多元共渗控制系统”(专利号CN200420060529.4)，其核心是采用气体多元共渗方法，对钢铁件进行表面防锈蚀处理。

然而，上述气体多元共渗方法在技术上具有以下不足：①渗层深度不均匀。热分解的气氛是在热工件表面发生反应的，外加热的各区域温度不均匀，气氛循环流动时不同形状工件、工件不同部位的气氛活性不同，工件不同部位洁净程度不同，都会使共渗层深度不均匀。②渗层脆性较大。气氛中热分解粒子与工件表面原子发生反应沉积下来，并向内扩散形成渗层。因此，表层堆积较疏松，孔隙率大，脆性较大。③能量消耗大。由于采用外加热方式，能量由外加热区向炉罐内工件传导，同时向外层隔热区传导，大量冷气体进热气体出也带走热量，故热效率较低，能耗较大。④耗气量高。工艺过程中，气氛为1个大气压稍高，由内向外形成气流动，参与形成渗层的活性氨气用量很少，其余氨气以及分解成的氮气、氢气等，都要以废气方式排出，浪费气源，而且直接排放会污染环境。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够实现具有较高防锈蚀性和耐磨损性能的等离子多元共渗的表面处理方法。该方法尤其适合用于碳素钢、合金钢、铸铁材料制件，如铁路用螺旋道钉、T型螺栓、高强度螺栓、铁垫板等，这些制件在大气环境下使用容易发生锈蚀并失效，因而通过本发明方法处理，可以提高这些制件的防锈蚀性能，从而延长使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种等离子多元共渗处理方法，包括以下步骤：

步骤1)：对工件进行等离子溅射活化处理，所述活化处理的气氛包括含氢的气体，所述活化处理时电压为850V～950V，导通比为0.2～0.3，低气压为20～70Pa；

步骤2)：在含氮、碳和氧的混合气氛中进行多元共渗处理，工件温度为500℃～600℃，保温时间为2～3小时，保温时电压为600～800V，气压200～400Pa；

步骤3)：待工件冷却后取出。

在上述方法中，所述含氢气体为氨气、氢气、甲烷或丙烷中的至少一种。

在上述方法中，所述氮、碳、氧的比例为100∶1.5～5∶20～50。

在上述方法中，所述含氮气体为氮气或氨气中的至少一种。

在上述方法中，所述含碳气体为甲烷或丙烷中的至少一种。

在上述方法中，所述含氧气体为空气、二氧化碳或氧气中的至少一种。

在上述方法中，当所述工件由碳素钢材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在560℃～580℃之间。

在上述方法中，当所述工件由合金钢材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在550℃～590℃之间。

在上述方法中，当所述工件由铸铁材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在570℃～600℃之间。

根据本发明的另一个方面，提供一种采用权利要求1所述的等离子多元共渗处理方法处理后的工件，所述工件表面具有等离子多元共渗层，该渗层包括化合物层和含氮扩渗层，所述化合物层包括ε-Fe_2，3N相和Fe₃O₄相。其中，所述渗层深度为0.05～0.1mm，表面硬度达到HV500以上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

等离子多元共渗方法得到的渗层为以氮化铁和氧化铁为主相的化合物层，能较大地提高工件表面的自腐蚀电位，降低致钝、维钝电流密度3个数量级，从而提高工件的耐腐蚀性能；此外，该渗层为冶金结合，表面硬度高，且渗层硬度是从表面到基体逐渐降低，因此结合力强、耐磨性好。本发明的等离子多元共渗方法，就是通过得到合适的工艺参数，获得冶金结合的渗层，以有效提高工件的防锈蚀性能，同时提高耐磨性。

等离子多元共渗与气体多元共渗相比，具有渗层致密、均匀、脆性低、清洁无污染、节约能源等优点。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1(a)为根据本发明一个示例的方法处理后的T型螺栓(材料为Q235)螺纹部分渗层金相组织(25倍)；图1(b)和图1(c)示出了在100倍和400倍下观察到的T型螺栓试样渗层金相组织；

图2(a)和图2(b)示出了在100倍和400倍下观察到的根据本发明一个示例的方法处理后的45号钢试样渗层金相组织；

图3(a)和图3(b)示出了在100倍和400倍下观察到的根据本发明一个示例的方法处理后的合金钢42CrMo试样的渗层金相组织。

图4(a)和图3(b)示出了在100倍和400倍下观察到的根据本发明一个示例的方法处理后的铁垫板试样(材料为铸铁)的渗层金相组织。

具体实施方式

总地来说，本发明提供一种等离子多元共渗防蚀耐磨处理方法。本方法针对碳素钢、合金钢、铸铁材料制品，如铁路用螺旋道钉、T型螺栓、高强度螺栓、铁垫板等，在含氮、碳、氧等气氛中进行等离子扩渗、然后进行封闭处理，在工件表面形成耐锈蚀耐磨损的复合功能层。

实施例1：

根据本发明一个实施例，提供一种用于T型螺栓的等离子多元共渗的表面处理方法，包括以下步骤：

步骤1)：前处理：即清洁T型螺栓表面，其主要是为了去除工件表面附着的油污、氧化皮、钝化膜等表面污物，例如可以喷砂方法进行清洗；

步骤2)：等离子溅射活化处理：即将T型螺栓放置于离子渗氮炉内，在活性气氛中，通过辉光放电进行溅射活化处理，为多元共渗处理提供有利的活性表面，促进多元共渗获得性能良好的渗层。其中，活性气氛选用氨气，电压逐步增加至900V±10V，导通比范围为0.2～0.3，低气压为20Pa～50Pa；

步骤3)：经过步骤2)的活化处理后，对T型螺栓进行等离子氮、碳、氧多元共渗处理：即在含氮、碳、氧的气氛中，三者比例为100∶3.0∶30，通过辉光放电将T型螺栓加热至570℃，保温时间为3小时，保温期间电压为650V±20V，气压控制在250Pa±20Pa；优选地，工件采用热电偶直接接触式测温，以确保温度真实可靠；

步骤4)：待保温结束后，关闭辉光放电，待工件冷却后取出。

经试验测得，通过等离子扩渗处理后的工件表面能形成深度达0.06mm渗层，表面硬度达到HV500以上；经电化学测试，多元共渗处理后的样品，自腐蚀电位大大提高，致钝和维钝电流密度降低3个数量级以上；另外经过表面相成份分析，该渗层包括化合物层和氮的扩散层，其中渗层化合物层主要以ε-Fe_2，3N、Fe₃O₄为主。

图1(a)为采用上述本发明方法处理后的T型螺栓(材料为Q235)螺纹部分渗层金相组织(25倍)，图1(b)和图1(c)为T型螺栓试样渗层金相组织(图b为100倍、图c为400倍)。从图中可以看出所形成渗层的均匀性及致密性较好。螺纹基体101表面具有明显的一层渗层，该渗层包括扩散层102(深色腐蚀层)和化合物层103(白亮带处)，104为金相封闭树脂。螺栓试样201表面的渗层包括位于最外层的化合物层203和紧邻化合物层的深色腐蚀层，即扩散层202。

实施例2：

根据本发明一个实施例，提供一种用于45号钢的等离子多元共渗的表面处理方法，包括以下步骤：

步骤1)：前处理：即清洁钢试样表面；

步骤2)：等离子溅射活化处理：即将钢试样放置于离子渗氮炉内，在活性气氛中，通过辉光放电进行溅射活化处理，为多元共渗处理提供有利的活性表面，促进多元共渗获得性能良好的渗层。其中，活性气氛选用氢气和氮气，电压逐步增加至850V±10V，导通比范围为0.2～0.3，低气压为20～70Pa；

步骤3)：经过步骤2)的活化处理后，对钢试样进行等离子氮、碳、氧多元共渗处理：即在含氮、碳、氧的气氛中，三者比例为100∶2.5∶25，通过辉光放电将钢板加热至560℃，保温时间为2.5小时，保温期间电压为650～700V，气压控制在300Pa±20Pa；

步骤4)：待保温结束后，关闭辉光放电，待试样冷却后取出。

经试验测得，通过等离子扩渗处理后的工件表面能形成深度达0.05mm渗层，表面硬度达到HV500以上；经电化学测试，多元共渗处理后的样品，自腐蚀电位大大提高，致钝和维钝电流密度降低3个数量级以上；另外经过表面相成份分析，渗层的化合物层主要以ε-Fe_2，3N、Fe₃O₄为主。

图2(a)和图2(b)为采用上述本发明方法处理后的45号钢试样渗层金相组织(图a为100倍、图b为400倍)，从图中可以看出所形成渗层的均匀性及致密性较好。钢试样301表面的渗层包括位于最外层的化合物层303和紧邻化合物层的深色腐蚀层，即扩散层302。

实施例3：

根据本发明一个实施例，提供一种用于合金结构钢42CrMo等离子多元共渗的表面处理方法，包括以下步骤：

步骤1)：前处理：即清洁钢试样表面；

步骤3)：经过步骤2)的活化处理后，对钢试样进行等离子氮、碳、氧多元共渗处理：即在含氮、碳、氧的气氛中，三者比例为100∶2.5∶40，通过辉光放电将钢板加热至580℃，保温时间为3小时，保温期间电压为650～700V，气压控制在300Pa±20Pa；

经试验测得，通过等离子扩渗处理后的工件表面能形成深度达0.08mm渗层，表面硬度达到HV500以上；经电化学测试，多元共渗处理后的样品，自腐蚀电位大大提高，致钝和维钝电流密度降低3个数量级以上；另外经过表面相成份分析，渗层的化合物层主要以ε-Fe_2，3N、Fe₃O₄为主。

图3(a)和图3(b)为采用上述本发明方法处理后的42CrMo钢试样渗层金相组织(图a为100倍、图b为400倍)，从图中可以看出所形成渗层的均匀性及致密性较好。钢试样401表面的渗层包括位于最外层的化合物层403和紧邻化合物层的深色腐蚀层，即扩散层402。

实施例4：

根据本发明一个实施例，提供一种用于铁垫板(材料为铸铁)的等离子多元共渗的表面处理方法，包括以下步骤：

步骤1)：前处理：即清洁铁垫板表面；

步骤2)：等离子溅射活化处理：即将铁垫板放置于离子渗氮炉内，在活性气氛中，通过辉光放电进行溅射活化处理，为多元共渗处理提供有利的活性表面，促进多元共渗获得性能良好的渗层。其中，活性气氛选用氨气和丙烷，在进行活化处理时，适宜采用高电压、小导通比、低气压，具体地，电压逐步增加至930V±10V，导通比范围为0.2～0.3，低气压为20～50Pa；

步骤3)：经过步骤2)的活化处理后，对铁垫板进行等离子氮、碳、氧多元共渗处理：即在含氮、碳、氧的气氛中，三者比例为100∶1.5∶50，通过辉光放电将铁垫板加热至590℃，保温时间为3小时，保温期间电压为700V±20V，气压控制在350Pa±20Pa；

经试验测得，通过等离子扩渗处理后的工件表面能形成深度达0.1mm渗层，另外经过表面相成份分析，渗层化合物层主要以ε-Fe_2，3N、Fe₃O₄为主。图4为采用上述本发明方法处理后的铁垫板的渗层金相组织(图a为100倍、图b为400倍)。如图4(a)所示，铁垫板501外有一扩散层502，如图3(b)所示，在该扩散层502外有一化合物层503，二者共同构成渗层。

作为本发明的另一种实现方式，在步骤4)后还可以进一步执行以下封闭处理步骤：即将工件浸入诸如普通防锈油、树脂的防锈剂中进行封闭，进一步提高工件的耐蚀性。

在上述实施例的方法中，对工件表面的清洁处理(步骤1)、等离子溅射活化处理(步骤2)是本领域常用的处理手段，并且本领域普通技术人员也可知道。但对于不同材料，共渗气氛会稍作调整，例如，随着工件材质中碳含量的提高，气氛中的碳量应略有降低。优选地，共渗处理气氛中氮、碳、氧的比例为100∶1.5～5∶20～50。另外，针对不同工件材质，扩渗处理温度的最佳处理温度也不同，例如对于铸铁材料，最佳处理温度为570℃～600℃，对于碳素钢材料，处理最佳温度为560℃～580℃，对于合金钢材料，处理最佳温度为550℃～590℃。另外，在进行等离子活化处理时活性气氛只要是含氢的气氛就可以，例如使用氨气、氢气、甲烷或丙烷中的一种或几种，从而进一步去除钝化膜，否则将影响渗层质量，尤其影响渗层的均匀性。优选地，在进行活化处理时，适宜采用高电压、小导通比、低气压，具体地，电压范围为850V～950V，导通比范围为0.2～0.3，低气压为20～70Pa。

由此可见，本发明针对碳素钢、合金结构钢、铸铁材料制件，如铁路用螺旋道钉、T型螺栓、高强度螺栓、铁垫板等，采用等离子多元共渗的方法，在工件表面形成一层均匀、致密的扩渗层，该渗层具有良好的防锈蚀和耐磨损性能。

与气体多元共渗相比，等离子扩渗处理具有以下优点：

①等离子扩渗处理得到的渗层更致密、均匀性好、脆性低、与基体结合力好。

②由于等离子扩渗处理不是依靠化学反应作用，而是利用离子化的或碰撞裂解活化的气氛进行扩渗处理，所以气氛利用率高，耗气量极少(仅为气体渗氮的百分之几)，可显著降低处理成本，工作环境十分清洁而无需防止公害的特别设备。

③由于等离子扩渗法利用离子的阴极溅射和活化作用，可有效去除表面杂质，确保工件表面整体防锈的有效性和均匀性。

④由于等离子扩渗法利用辉光放电直接对工件进行加热，工件处于真空环境，加热效率高，散热少，因而节能效果好。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims

1.一种等离子多元共渗处理方法，包括以下步骤：

步骤3)：待工件冷却后取出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氢气体为氨气、氢气、甲烷或丙烷中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮、碳、氧的比例为100∶1.5～5∶20～50。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氮气体为氮气或氨气中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含碳气体为甲烷或丙烷中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧气体为空气、二氧化碳或氧气中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述工件由碳素钢材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在560℃～580℃之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述工件由合金钢材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在550℃～590℃之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述工件由铸铁材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在570℃～600℃之间。

10.一种采用权利要求1所述的等离子多元共渗处理方法处理后的工件，所述工件表面具有等离子多元共渗层，该渗层包括化合物层，所述化合物层包括ε-Fe_2，3N相和Fe₃O₄相。

11.根据权利要求1所述的工件，其特征在于，所述渗层深度为0.05～0.1mm，表面硬度达到HV500以上。