CN102912286B

CN102912286B - 铝及铝合金液体氮化方法

Info

Publication number: CN102912286B
Application number: CN201210423529.5A
Authority: CN
Inventors: 纪嘉明; 吴晶; 李春平; 周博
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Changshou City Jinshi Machinery Co., Ltd.
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102912286A

Abstract

本发明提供铝及铝合金液体氮化方法，涉及一种铝及铝合金的热处理方法。包括1）去除表面氧化膜，即预处理并清洗工件表面，第一次浸锌，水洗，退锌，第二次浸锌；2）表面氮化包括：熔化浴盐、预热工件、渗氮、冷却、清洗等步骤。所述渗氮过程为：将经预热的所述工件放入所述熔化的浴盐中进行表面氮化，温度580-610℃，时间1-5h。本发明铝及铝合金液体氮化方法能够克服现有技术的不足，氮化层均匀，成本低，且工艺简单易行。

Description

铝及铝合金液体氮化方法

技术领域

本发明涉及一种铝及铝合金的热处理工艺，尤其涉及一种铝及铝合金的表面液体氮化工艺，属于金属材料技术领域。

背景技术

铝及铝合金在工程结构和机器制造特别是汽车行业的应用十分广泛，因为他们具有比强度高, 比重小，在不降低安全性和稳定性的前提下，可以减轻工程结构和机器整机的重量，同时铝及铝合金还具有良好的机械加工性。但随着工业技术的发展，铝及铝合金较低的硬度、较低的耐磨性以及耐蚀性使它已经不能胜任构件之间高的相对运动、高质流和高腐蚀等苛刻服役条件的要求。

近年来通过对铝及铝合金进行氮化处理，在铝表面形成高硬度铝氮化物层来提高铝及其合金的硬度和耐磨性已经越来越引起人们的兴趣。

但是由于铝的化学性质很活泼, 纯铝及铝合金表面都存在稳定性很好的自然氧化膜。根据环境中水分含量, 氧化膜的厚度最厚可达0.1μm 左右, 严重阻碍了氮原子向铝基体中的扩散，这也是铝及铝合金实现表面渗氮的难点，所以一般认为传统的渗氮工艺很难在铝及铝合金表面实现渗氮。

目前主要研究和采用的铝及铝合金渗氮工艺为辉光放电等离子体渗氮，以及为获得更好氮化效果的改进工艺：增强等离子体离子渗氮、激光诱导等离子体渗氮、ECR（electron cyclotron resonance）微波等离子体渗氮、射频（高频）等离子体渗氮等，但上述铝及其铝合金的氮化工艺的共同点是：设备要求及生产成本高、操作复杂难控制，对于大尺寸和结构复杂的工件很难得到理想均匀的氮化层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氮化层均匀可控，成本低，且工艺简单易行的铝及铝合金氮化工艺。

本发明通过以下技术方案予以实现：

铝及铝合金液体氮化方法，包括如下步骤：

1）去除表面氧化膜

a．预处理并清洗工件表面；

b．第一次浸锌，在室温环境下将经清洗的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间50～70s；

c．水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件；

d．退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌；

e．第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间25～35s；

f．水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干；

2）表面氮化

a.熔化浴盐：加热使浴盐熔化；

b.预热工件：将经过去除表面氧化膜的所述工件置250-350℃条件下预热30-50min；

c.渗氮：将经预热的所述工件放入所述熔化的浴盐中进行渗氮，温度580-610℃，时间1-5h；

d.冷却：将渗氮后的所述工件冷却至室温；

e.清洗：将冷却后的所述工件置于沸水中清洗。

所述浸锌溶液是含有如下成分的水溶液：

氧化锌 10~30 g/L ；

氢氧化钠 50~70g/L ；

酒石酸钾钠 50 ~90g/L。

所述硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:0.8-1.1配成的溶液，所述工件浸入该溶液中的时间为6-12s。

所述浴盐的按重量百分比由如下物质组成：46~48%尿素、 38~40%碳酸钠、6~8%氯化钾和6~8%氯化钠。

所述渗氮过程中，每间隔0.5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加1～1.5克。这样就能够保证，在渗氮过程中，浴盐中氰酸盐含量在30-35%范围内。

所述去除表面氧化膜步骤中的预处理并清洗工件表面过程包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤。

本发明的有益效果如下：

1)浸锌处理有效地去除了铝及铝合金表面致密氧化物并阻止其在进入盐浴前的再度形成，有利于氮原子的渗入；

2)采用普通气体渗氮炉或可进行渗氮处理的气体渗碳炉就可实现铝及铝合金渗氮，渗氮设备要求不高，生产成本低，操作简单易行；

3)适应性广，可以处理各种形状和尺寸的工件；

4)工件所有表面能得到厚度均匀的氮化铝化合物层。渗层深度为4.5～16μm，工件表面显微硬度为纯铝35～55HV0.1，铝合金73～170HV0.1。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进解释，这些实施例是仅作为例子给出的。

具体实施方式

以下实施例中，表面氮化过程中，除了预热采用RX3-15-9箱式电阻炉中进行，其它步骤都是在GY11-19电阻坩埚炉中进行的。

实施例1

工件材料为1050纯铝，其化学成分为Al 99.50%, Si 0.25%, Cu 0.05%, Mg 0.05%,另有仅少量Zn、Mn等。

首先对上述工件进行去除表面氧化膜处理，具体步骤如下：

1）预处理并清洗工件表面：包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤，其中化学除油、酸浸蚀按照现有一般工业纯铝表面处理方法进行处理。

2）第一次浸锌，在室温环境下（指5～35℃，下述相同）将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间55s。

浸锌溶液按下列配方配制：

氧化锌（ZnO） 10 g/L ；

氢氧化钠（NaOH） 50g/L ；

酒石酸钾钠（KNaC₄ H₄O₆） 50g/L 。

3）水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。

4）退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌，时间为6s；

硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:0.8配成的溶液。

5）第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间25s。

第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同。

6）水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干。

上述步骤完成后，去除了工件表面氧化膜，在工件表面得到一层极薄的锌覆盖层，以防止铝的氧化膜产生。接着对工件进行表面氮化处理，具体步骤如下：

1）熔化浴盐：加热使浴盐熔化。

配制浴盐，其成分及重量百分比为：尿素46%、碳酸钠38%、氯化钾8%和氯化钠8%。将配制好的浴盐放入电阻坩埚炉坩埚内，升温，熔化固体盐，并加热至设定的580℃氮化工作温度。

2）预热工件：开启箱式电阻炉，使其升温至250℃工件预热温度。将经过去除表面氧化膜的工件连同料筐或挂具放入已加热至250℃的箱式电阻炉中预热，时间为30分钟。

3）渗氮：将预热好的工件连同料筐或挂具置于已加热至580℃浴盐中进行渗氮，时间为1小时；在渗氮过程中，每间隔0.5小时向浴盐中加入尿素，添加量为每升浴盐加1克尿素。

4）冷却：将渗氮后的工件取出，在空气中冷却至室温；

5）清洗：将上述冷却后的工件置于沸水槽中进行清洗以去除表面上附着的盐质。

经过上述处理后，工件的渗层深度为4.5μm，工件表面显微硬度为纯铝35.5HV0.1。

实施例2

工件材料为5050铝合金，其化学成分及重量百分含量为：Si 0.4%、Fe 0.7%、Cu 0.2%、Mn 1.1%、Mg 1.4%、Zn 0.25%、其它0.15%、余量为铝。

首先对上述工件进行去除表面氧化膜处理，具体步骤如下：

1）预处理并清洗工件表面：包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤，其中化学除油、酸浸蚀按照现有铝合金表面处理方法进行处理。

2）第一次浸锌，在室温环境下将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间60s。

浸锌溶液按下列配方配制：

氧化锌（ZnO） 20 g/L ；

氢氧化钠（NaOH） 60g/L ；

酒石酸钾钠（KNaC₄ H₄O₆） 70g/L ；

3）水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。

4）退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌，时间为10s；

硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:1配成的溶液。

5）第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间30s。

第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同。

1）熔化浴盐：加热使浴盐熔化。

配制浴盐，其成分及重量百分比为：尿素47%、碳酸钠39%、氯化钾7%和氯化钠7%。将配制好的浴盐放入电阻坩埚炉坩埚内，升温，熔化固体盐，并加热至设定的600℃氮化工作温度。

2）预热工件：开启箱式电阻炉，使其升温至300℃工件预热温度。将经过去除表面氧化膜的工件连同料筐或挂具放入已加热至300℃的箱式电阻炉中预热，时间为40分钟。

3）渗氮：将预热好的工件连同料筐或挂具置于已加热至600℃浴盐中进行渗氮，时间为3小时；在渗氮过程中，每间隔0.5小时向浴盐中加入尿素，添加量为每升浴盐加1.2克尿素。

4）冷却：将渗氮后的工件取出，在空气中冷却至室温；

经过上述处理后，工件的渗层深度为10.5μm，工件表面显微硬度107HV0.1。

实施例3

工件材料为2A12铝合金，其化学成分及重量百分含量为：Cu 4.3%、Mg 1.6%、Mn 0.6%、Si 0.4%、余量为铝。

首先对上述工件进行去除表面氧化膜处理，具体步骤如下：

2）第一次浸锌，在室温环境下将经清洗的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间70s 。

浸锌溶液按下列配方配制：

氧化锌（ZnO） 30 g/L ；

氢氧化钠（NaOH） 70g/L ；

酒石酸钾钠（KNaC₄ H₄O₆） 90g/L ；

3）水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。

4）退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌，时间为12s ；

硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:1.1配成的溶液。

5）第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间35s。

第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同。

1）熔化浴盐：加热使浴盐熔化。

配制浴盐，其成分及重量百分比为：尿素48%、碳酸钠40%、氯化钾6 %和氯化钠6%。将配制好的浴盐放入电阻坩埚炉坩埚内，升温，熔化固体盐，并加热至设定的610℃氮化工作温度。

2）预热工件：开启箱式电阻炉，使其升温至350℃工件预热温度。将经过去除表面氧化膜的工件连同料筐或挂具放入已加热至350℃的箱式电阻炉中预热，时间为50分钟。

3）渗氮：将预热好的工件连同料筐或挂具置于已加热至610℃浴盐中进行渗氮，时间为5小时；在渗氮过程中，每间隔0.5小时向浴盐中加入尿素，添加量为每升浴盐加1.5克尿素。

4）冷却：将渗氮后的工件取出，在空气中冷却至室温；

经过上述处理后，工件的渗层深度为15μm，工件表面显微硬度为166HV0.1。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims

1.铝及铝合金液体氮化方法，包括如下步骤：

1）去除表面氧化膜

a．预处理并清洗工件表面；

b．第一次浸锌，在室温环境下将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间50～70s；

c．水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件；

2）表面氮化

a.熔化浴盐：加热使浴盐熔化；

c. 渗氮：将经预热的所述工件放入所述熔化的浴盐中进行渗氮，温度580-610℃，时间1-5h；

d.冷却：将渗氮后的所述工件冷却至室温；

e.清洗：将冷却后的所述工件置于沸水中清洗。

2.根据权利要求1所述铝及铝合金液体氮化方法，其特征在于：所述浸锌溶液是含有如下成分的水溶液：

氧化锌 10~30 g/L ；

氢氧化钠 50~70g/L ；

酒石酸钾钠 50 ~90g/L。

3.根据权利要求2所述铝及铝合金液体氮化方法，其特征在于：所述硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:0.8～1.1配成的溶液，所述工件浸入该溶液中的时间为6-12s。

4.根据权利要求3所述铝及铝合金液体氮化方法，其特征在于：所述浴盐按重量百分比由如下物质组成：46~48%尿素、 38~40%碳酸钠、6~8%氯化钾和6~8%氯化钠。

5.根据权利要求4所述铝及铝合金液体氮化方法，其特征在于：所述渗氮过程中，每间隔0.5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加1～1.5克。

6.根据权利要求5所述的铝及铝合金表面二段气体氮化方法，其特征在于所述去除表面氧化膜步骤中的预处理并清洗工件表面过程包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤。