CN102943230A

CN102943230A - 铝及铝合金表面的氮化方法

Info

Publication number: CN102943230A
Application number: CN2012104234803A
Authority: CN
Inventors: 纪嘉明; 吴晶; 周博; 李春平
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102943230B

Abstract

本发明涉及铝及铝合金的表面氮化方法。包括1.去除表面氧化膜；2.表面氮化处理两步骤，步骤1中包含：1）预处理，2）第一次浸锌，3）水洗，4）退锌，5）第二次浸锌，6）水洗吹干；步骤2中包含：1）炉内排气，氨分解率控制在10%以下，2）炉内升温580~640℃，氨分解率控制在30~45%；3）渗氮，炉温580~640℃，10~50小时，渗氮过程保持氨分解率30~55%；4）退氮，炉温580~640℃，氨分解率控制在60~70%，保持时间0.5～1小时。优点是：可以有效消除铝及铝合金表面致密氧化膜，有利于氮原子的渗入，并可采用普通气体渗氮炉进行渗氮处理，生产成本低，操作简单易行，适应性广，渗层质量好。

Description

铝及铝合金表面的氮化方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金的热处理工艺，尤其涉及一种铝及铝合金的表面氮化方法。

背景技术

铝合金具有比强度高, 导电、导热性好, 耐蚀性好及塑性和成型性好等优点, 已成为除钢铁之外在工业上使用最多的金属材料，应用范围十分广泛，涉及轻工、电力、电气、电子、汽车、机械制造、建筑、包装等行业，是国民经济发展的重要基础材料。但随着工业的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，因而强化铝合金使之满足服役条件成为铝合金研究之重点。

对铝合金进行氮化处理，在其表面生成AlN化合物，可以有效提高铝合金及工件表面的硬度和耐磨性，是正在发展的铝合金具有良好效果的强化方法之一。

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，也严重影响了铝及铝合金氮化工艺所产生的效果。为了消除氧化膜的影响和实现铝合金表面氮化，目前主要研究和采用辉光放电等离子体渗氮工艺。

常规的直流辉光放电等离子体渗氮工艺一般采用双极系统，工件为阴极，真空容器为阳极，在阴、阳极间加上直流电压，使气体辉光放电产生等离子体，正离子在外加偏压的作用下向阴极工件加速运动，与工件表面碰撞并渗入表面，完成渗氮的过程。但是这种方法常常需要在渗氮前进行预溅射以消除氧化膜。同时温度较高，有的甚至达到650℃,引起铝合金局部熔化。

近年来，为降低铝的渗氮温度，提高渗氮质量，研究人员主要从改变产生等离子体的方法入手，即对渗氮装置进行改进：

① 增强等离子体离子渗氮

增强等离子体离子渗氮是利用改进的渗氮装置获得低压、高能的增强等离子体。这种装置使得热电子在加速运动中与氮原子和氮分子发生剧烈碰撞，在较低的压力下就可形成等离子体，因此渗氮可在低温（300℃左右）下进行。该渗氮工艺的特点表现为电离化程度高，气压低，能量高，甚至可以在没有进行预溅射处理的情况下，利用高能离子的轰击有效地去除铝表面的氧化膜，这一点与离子注入的效果相近，但也有同样的缺点，就是渗氮层深度较浅。

② 激光诱导等离子体渗氮

激光诱导等离子体渗氮是利用激光扫描时产生的高温，使氮在铝中的扩散，在几个微米的深度内改变了铝表面的成分和结构，达到了硬化的目的。另外，要处理的区域可被精确定位，并可通过等离子体区的连续移动扩展到大的表面范围。

其中单位面积激光脉冲数和扫描方式（逐步扫描和重叠扫描）对渗氮质量的有很大影响。随激光脉冲数的增加，氮的渗入量增加，当脉冲数为500个/ cm² 时达最大值，超过这个范围，则因为激光束对表面的剥离作用占优势而抑制了氮的渗入，同时脉冲数的增加会增大表面粗糙度，这对抗磨损性能是不利的。

③ ECR（electron cyclotron resonance）微波等离子体渗氮

ECR的特点是可以在比通常的微波放电更低的压力下也可以产生等离子体，这种ECR 等离子体能更有效地产生低能领域的离子，是一种磁活化等离子体，具有密度高，电离度高，参数易控制等优点，目前已有利用ECR 等离子体装置对纯铝进行了渗氮试验的报道。

④ 射频（高频）等离子体渗氮

由于渗氮层一般由AlN 构成，AlN 的电阻很高，在普通的直流辉光放电渗氮时，随AlN 层的增厚，为维持放电过程，必须改变工艺参数，这就增加了渗氮难度，也决定了渗氮层不可能太厚。

为了克服AlN的电绝缘性给渗氮带来的困难，同时也为了增加氮化层的厚度，出现了铝的射频等离子体渗氮。但用单独的射频等离子体去除表面氧化膜的效果不好，所以有的研究将脉冲直流与射频发生器结合起来，利用转换开关控制二者与阴极相连，这样，直流等离子体用于渗氮前的溅射清洗和初期渗氮，当铝表面生成一薄层AlN后，转换开关换到射频发生器一边，再继续进行渗氮。

此外，铝及铝合金气体渗氮也有报道，渗氮时添加洁净剂氯化铵和活化剂稀土，利用氯离子与氧化膜中铝的作用，破坏氧化膜的完整性，并利用稀土的活化催化作用，使铝及铝合金渗氮。

上述铝及其铝合金的氮化工艺，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之不足，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方法。所述铝及铝合金表面的氮化方法的按如下步骤施行：

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（18～25℃）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HNO3 水溶液中退锌；

e．第二次浸锌，在室温环境下（18～25℃）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．排气，将经上述去除表面氧化膜的所述工件置于渗氮炉内后，开始通入氨气以排除炉内氧气，直到氨分解率小于10%；

b．升温，使炉温升至580~640℃，在升温过程中逐渐减少氨气流量，直到氨分解率达到30~45%；

c．渗氮，保持炉温580~640℃，10~50小时，此过程保持氨分解率在30~55%；

d．退氮，保持炉温580~640℃，减少氨气流量，致使氨分解率至60~70%，此状态保持0.5～1小时。

所述浸锌溶液是按1升水溶解下列质量化合物的配比关系所得溶液，

氧化锌ZnO 10~30 g ，

氢氧化钠NaOH 50~70g ，

酒石酸钾钠KNaC₄ H₄O₆ 50 ~90g。

所述去除表面氧化膜步骤中的退锌过程所用硝酸HNO3 水溶液为1∶0.8～1∶1.1容积比的水与硝酸HNO3 的混合溶液,所述工件浸入该溶液中的时间为6~12s。

所述去除表面氧化膜步骤中的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。

所述表面氮化的排气步骤中，在所述工件置于渗氮炉内后，将炉子升温，在炉温升至300℃时开始通入氨气。

上述的本发明技术方案产生如下有益效果：

1)经过浸锌处理后，可以有效消除及阻止铝及铝合金表面致密氧化物的形成，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)渗层质量好，工件所有表面能得到厚度均匀的氮化铝化合物层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的及其优点作进一步说明。

下述实施例都是在RQ3-35-9气体渗碳炉进行的。

实施例1

工件材料为1050纯铝，其化学成分为铝Al 99.50%、 Si0.25%、 Cu0.05%、 Mg0.05%，另有极少量Zn、Mn等。首先对该纯铝工件进行去除表面氧化膜处理，具体由下述步骤完成：

1）预处理，对纯铝工件表面依次进行化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗，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，不再赘述。

2）第一次浸锌，先配制浸锌溶液，在1升水溶液中溶解下列质量的化合物：

氧化锌ZnO 10 g，

氢氧化钠NaOH 50g，

酒石酸钾钠KNaC₄ H₄O₆ 50g，

在室温环境下（指5～35℃，下述相同）将上述经清洗的工件浸入配制好的浸锌溶液中进行第一次浸锌，浸入时间50s。

3）水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。

4）退锌，先配制退锌溶液，按水与硝酸HNO3的容积比1:1进行配制，将上述经水洗后的工件浸入退锌溶液中，进行退锌，温度为室温，浸入时间为6s。

5）第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间25s；第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同，并且本实施例共用同一槽溶液。

6）水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的工件并吹干。

上述步骤完成后使工件表面致密的氧化层被去除，在铝金属表面得到一层极薄的锌覆盖层，以防止铝的氧化膜产生；接着对工件表面进行氮化处理，具体由下述步骤完成：

1）排气：先打开炉盖，将经上述去除表面氧化膜的工件置于所述的渗氮炉内后盖好炉盖，将炉子升温，在炉温升至300℃时开始通入氨气，通过氨气与炉内空气中的氧气作用来排除炉内氧气，炉内空气排除状况可通过监控氨分解率获得，炉内空气越少氨分解率越小，反之氨分解率越大。本实施例的氨分解率控制在10%以下，对氨分解率控制是通过控制氨气流量来实现的。

2）升温：使炉温升至580℃，在升温过程中逐渐减少氨气流量，将氨分解率控制在30%。

3）渗氮：保持炉温580℃，10小时，此过程保持氨分解率在30%。

4）退氮，保持炉温580℃，减少氨气流量，致使氨分解率至60%，此状态保持0.5小时。

上述步骤使工件的表面氮化处理完成，关掉炉子电源，使工件随炉冷却，在此过程中应保持炉内压力为正压，当炉子温度降为150℃时，打开炉门并取出工件，测得渗层深度为6.5μm，工件表面显微硬度为62HV0.1。

实施例2

工件材料为5050铝合金，其化学成分及含量（wt%）为：Si0.4、Fe0.7、Cu0.2、Mn1.1、Mg1.4、Zn0.25、其它0.15、余量为铝。首先对该铝合金工件进行去除表面氧化膜处理，具体由下述步骤完成：

1）预处理，对铝合金工件表面依次进行化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗，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，不再赘述。

氧化锌ZnO 20 g ，

氢氧化钠NaOH 60g ，

酒石酸钾钠KNaC₄ H₄O₆ 70g，

在室温环境下将上述经清洗的工件浸入配制好的浸锌溶液中进行第一次浸锌，浸入时间60s。

3）水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。

4）退锌，先配制退锌溶液，按水与硝酸HNO3的容积比1:1.1进行配制，将上述经水洗后的工件浸入退锌溶液中，进行退锌，温度为室温，浸入时间为10s。

5）第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间30s；第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同，并且本实施例共用同一槽溶液。

6）水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的工件并烘干。

上述步骤完成后使工件表面致密的氧化层被去除，在铝金属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进行氮化处理，具体由下述步骤完成：

2）升温：使炉温升至610℃，在升温过程中逐渐减少氨气流量，将氨分解率控制在40%。

3）渗氮：保持炉温610℃，30小时，此过程保持氨分解率在40%。

4）退氮，保持炉温610℃，减少氨气流量，致使氨分解率至65%，此状态保持0.8小时。

上述步骤使工件的表面氮化处理完成，关掉炉子电源，使工件随炉冷却，在此过程中应保持炉内压力为正压，当炉子温度降为170℃时，打开炉门并取出工件，测得渗层深度为21μm，工件表面显微硬度为217HV0.1。

实施例3

工件材料为2A12铝合金，其化学成分及含量（wt%）为：Cu4.3、Mg1.6、Mn0.6、Si0.4、余量为铝。首先对该铝合金工件进行去除表面氧化膜处理，具体由下述步骤完成：

氧化锌ZnO 30 g ，

氢氧化钠NaOH 70g ，

酒石酸钾钠KNaC₄ H₄O₆ 90g，

在室温环境下将上述经清洗的工件浸入配制好的浸锌溶液中进行第一次浸锌，浸入时间70s。

3）水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。

4）退锌，先配制退锌溶液，按水与硝酸HNO3的容积比1:0.8进行配制，将上述经水洗后的工件浸入退锌溶液中，进行退锌，温度为室温，浸入时间为12s。

5）第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间35s；第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同，并且本实施例共用同一槽溶液。

6）水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的工件并吹干。

2）升温：使炉温升至640℃，在升温过程中逐渐减少氨气流量，将氨分解率控制在45%。

3）渗氮：保持炉温640℃，50小时，此过程保持氨分解率在55%。

4）退氮，保持炉温640℃，减少氨气流量，致使氨分解率至70%，此状态保持1.0小时。

上述步骤使工件的表面氮化处理完成，关掉炉子电源，使工件随炉冷却，在此过程中应保持炉内压力为正压，当炉子温度降为150℃时，打开炉门并取出工件，测得渗层深度为32μm，工件表面显微硬度为314HV0.1。

本发明绝不局限于上述实施例，依据本发明所述技术方案再结合本领域现有技术手段可组合出更多的实施方案，这些均落入本发明要求的保护范围。此外本发明所用渗碳炉也不限于上述实施例所述的RQ3-35-9气体渗碳炉，其它类型气体渗氮炉或气体渗碳炉同样可按上述实施例的所述步骤、工艺条件实施。

Claims

1.铝及铝合金表面的氮化方法，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；

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；

2）表面氮化

a．排气，将经上述去除表面氧化膜的所述工件置于渗氮炉内后，开始通入氨气以排除炉内空气，直到氨分解率小于10%；

2.根据权利要求1所述的铝及铝合金表面的氮化方法，特征在于所述浸锌溶液是按1升水溶解下列质量化合物的配比关系所得溶液，

氧化锌ZnO 10~30 g ，

氢氧化钠NaOH 50~70g ，

酒石酸钾钠KNaC₄ H₄O₆ 50 ~90g。

3.根据权利要求1所述的铝及铝合金表面的氮化方法，其特征在于所述去除表面氧化膜步骤中的退锌过程所用硝酸HNO3 水溶液为1∶0.8～1∶1.1容积比的水与硝酸HNO3 混合溶液,所述工件浸入该溶液中的时间为6~12s。

4.根据权利要求1所述的铝及铝合金表面的氮化方法，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。

5.根据权利要求1所述的铝及铝合金表面的氮化方法，其特征在于所述表面氮化的排气步骤中，在所述工件置于渗氮炉内后，将炉子升温，在炉温升至300℃时开始通入氨气。