CN103122446A - 定量钛氮化碳氮共渗技术 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供一种碳氮共渗层深，提高表面硬度，延长工件使用寿命，甚至采用低价材料，如碳素钢代替高价材料，如高速钢、模具钢的钛催化碳氮共渗工艺。本发明的目的可按下述技术方案来实现：本发明主要是真对黑色金属的工件渗氮加工，提供一种新工艺技术，它包括二大部分：一是先镀钛棒，同螺旋体得到钛催化剂，再用钛催化剂促进对工件进行共渗，而达到更先进更理想的效果。 本发明与背景技术相比，由于工艺中有获得钛为催化剂的纯金属或钛的低价氧化物的水溶液电镀钛法或离子镀钛法，可使氮化层深度增加数倍以上，硬度提高400-600HV，HV尤其处理工模具类合金钢可提高使用寿命2～10倍以上，合金钢硬度提高1000以上，能实现以低价材料代替高价材料，即用普通碳素钢代替高速钢及模具钢等。降低了生产成本，提高了产品性能。

Description

定量钛氮化碳氮共渗技术

技术领域

本发明涉及黑色金属工件盐浴氮化技术，具体的说是以钛为催化剂的盐浴碳氮共渗技术。

背景技术

目前黑色金属工件的气体钛氮化硬度较低，渗氮层浅，就普通碳素钢而言，在560℃ 2小时处理后，表面硬度公认（HV1OOg) 500-600，其硬化层（白亮层）仅为20微米以下且脆性大。对于合金钢（高速钢、模具钢）虽然能达到HV1000左右的硬度，氮化效果不稳定，氮化层深浅不一，因为脆性大，所以使用寿命不理想。

发明内容

本发明目的是提供一种碳氮共渗层深，提高表面硬度，延长工件使用寿命，甚至采用低价材料，如碳素钢代替高价材料，如高速钢、模具钢的钛催化碳氮共渗工艺。

本发明的目的可按下述技术方案来实现：本发明主要是真对黑色金属的工件渗氮加工，提供一种新工艺技术，它包括二大部分：一是先镀钛棒，同螺旋体得到钛催化剂，再用钛催化剂促进对工件进行共渗，而达到更先进更理想的效果。

可通过水溶液电镀法或干式离子镀法，获得钛的纯金属和钛的低价氧化物为催化剂。

（一）水溶液电镀法进行渗氮工艺

水溶电镀钛法溶液的成份为：

三氧化钛（15wt％）      5～50   毫升/升

酒石酸                  5～150  克/升

柠檬酸                  3～50   克/升

蔗  糖                  5～30   克/升

草  酸                  30～50  克/升

甘  油                  10～50  克/升

双氧水                  50～100毫升/升

在上述溶液中，再加入氢氧化钠5wt％或氢氧化钾5wt％或氢氧化铵调整为PH 7.5～12后再加入明胶或阿拉伯树胶5～20克/升，作为分散剂，余量为水，作为先镀钛的溶液；

在该溶液温度为10～40℃，时间为15～60分钟，电流密度为1～3.5安培/分米2，以石墨或海棉钛为阳极的条件下，将碳素钢螺旋丝用盐酸清洗之后水洗，水洗后放入电镀液中，作为载体，接负电极，将其镀上钛的纯金属和钛的低价氧化物，即成为钛螺旋丝。

取出钛螺旋丝立即放入另外的槽内镀锌，以便防止镀的钛被氧化。

所述的渗氮炉的炉内温度为600℃以上，渗氮的盐液需要不停的搅拌使钛加速挥发进入盐液中；保持60分钟以上，使钛的含量达到0.5/万～4/万(质量比)，这时将要渗氮的工件，经过清洗处理，经150～200℃预热后进行渗氮，时间为半小时～2小时，然后取出冷却放入含碱性及低浓度甲醛溶液的清洗水中，以消除有毒的氰根，再以250℃进行1小时回火处理，即完成氮化。

钛螺旋丝开始要少加，逐步加量，同时搅拌时间60分钟，使钛挥发进入盐液中。 

所述的渗氮盐液为尿素30～50wt％，碳酸钾或碳酸钠25～35wt％，氯化钠或氯化钾25～35wt％，使用中分析成份：氰酸根3～34wt％，氰根25～0wt％，氯根27～30wt％，碳酸根25~0wt%； 

或者是以下盐液：氮源：尿素55～65wt％，碳源：碳酸钠或碳酸钾35～45wt％，使用中分析成份氰酸根3～34wt％，氰根25～0wt％，碳酸根25～0wt％； 

如果氰根在24％以上和碳酸根30％以上则过高，盐液不稳定变稠，凝点升高，为此加入适量尿素使碳酸根下降。

最佳参数的确定如钛催化剂加入量；处理温度；时间及盐的成份和各种不同材质工件的处理参数的确定，可采用下列方法优选确定，并可使生产始终保持在最佳状态。

    盐中钛含量的分析：在配方（一）中为0.5/万以上，配方（二）中的为1万～4/万。

    盐成份的分析：氰酸根、氰根、碳酸根、氯根。放入与工件同材质的试片以硬度和金相分析确定。

    将待渗氮的工件用清洗剂除油，再进行自来水洗、盐酸洗、水洗、含低浓度纯碱的90℃以上的热水中烫干，然后在150～200℃预热，（工件预热时间以达到恒温止）。渗氮后在含有纯碱碱性及低浓度甲醛的溶液中清洗水冷或空冷，250℃1小时回火即为成品。

（二）干式离子镀钛的氮化工艺

先将碳素钢棒机械抛光，用布轮抛光带酒精擦洗干净，进行离子镀0.5～3小时，常温镀钛，厚度2-3微米，而获得钛棒；

再将钛棒送入盐浴碳氮共渗炉中渗氮；

所述的共渗炉的炉内温度为600℃以上，盐液需要不停的搅拌使钛加速挥发进入盐液中；保持60分钟以上，使钛的含量达到0.5/万～4/万(质量比)，这时将要渗氮的工件，经过清洗处理，经150～200℃预热后进行共渗，时间为半小时～2小时，然后取出冷却放入含碱性及低浓度甲醛溶液的清洗水中，以消除有毒的氰根，再以250℃进行1小时回火处理，即完成氮化。

钛棒开始要少加，逐步加量，成纳米状态，同时搅拌时间60分钟，使钛挥发进入盐液中。 

所述的共渗盐液为尿素30～50wt％，碳酸钾或碳酸钠25～35wt％，氯化钠或氯化钾25～35wt％，使用中分析成份：氰酸根3～34wt％，氰根25～0wt％，氯根27～30wt％，碳酸根25~0wt%； 

或者是以下盐液：氮源：尿素55～65wt％，碳源：碳酸钠或碳酸钾35～45wt％，使用中分析成份氰酸根3～34wt％，氰根25～0wt％，碳酸根25～0wt％； 

如果氰根在24％以上和碳酸根30％以上则过高，盐液不稳定变稠，凝点升高，为此加入适量尿素使碳酸根下降。

    最佳参数的确定：钛催化剂加入量，处理温度，时间及盐的成份和各种不同材质工件的处理参数的确定，可采用下列方法优选，并可使生产始终保持在最佳状态。

    如果氰根在24％以上和碳酸根30％以上过高，盐液不稳定变稠，凝点增高，为此加入适量中性盐（氯化钾或氯化钠）。

    盐中钛含量的分析：0.5/万一4/万。

    盐成份的分析：氰酸根、氰根、碳酸根、氯根釱。放入与工件同材质的试片以硬度和金相分析确定。

    本发明与背景技术相比，由于工艺中有获得钛为催化剂的纯金属或钛的低价氧化物的水溶液电镀钛法或离子镀钛法，可使氮化层深度增加数倍以上，硬度提高400-600HV，HV尤其处理工模具类合金钢可提高使用寿命2～10倍以上，合金钢硬度提高1000以上，能实现以低价材料代替高价材料，即用普通碳素钢代替高速钢及模具钢等。降低了生产成本，提高了产品性能。

具体实施方式

下面结合工艺程序具体描述本发明的实施例：

实施例1 

共渗工件为两种，一种是Φ10高速钢钻头（淬火回火后）数量13件其原表面硬度（HV100g）850；另一种是 3Cr2W8V冲头（淬火回火后）数量10件，原表面硬度（HVl00g）750。

催化剂钛的获得采用水溶液电镀法：

槽液成分（总量10升）

三氯化钛（15％）       50毫升/升

草  酸                 50克/升

酒石酸                 50毫升/升

柠檬酸                 50克/升

双氧水                 50毫升/升

蔗  糖                 30克/升

氢氧化钠（5%）调PH     10

甘  油                 50克/升

阿拉伯树胶             7克/升

纯水加至总体积           10升      

    工艺过程按上述将45#钢棒（Φ10X200毫米一端有一横向通孔Φ3吊挂导线）用清洗剂除油，水洗在1: 1盐酸中浸约10分钟后水洗挂于阴极上，槽液保持30℃，电流密度3安培／分米2，石墨阳极，镀钛20分钟后立即镀锌（采用普通碱性镀锌，电流密度2安培／分米2)20秒钟,水洗擦干（用干净布类）备用。镀钛厚度2.5微米。

共渗盐原料配比：尿素40%，碳酸钾30%，氯化钠30%.混匀在A3坩锅中熔化。使用中盐的分析成分：氰酸根12％；氰根5%；碳酸根12%,氯根29%，盐浴总重量5kg。钛棒在炉温600℃加入15根，时间1小时取出空冷后水洗，废钛棒可重复镀钛后使用。盐中含钛量0.6/万。

     按上述工艺：将工件用清洗剂除油，自来水清洗，1: 1盐酸中常温浸洗10分钟，水洗烫干（含约2％纯碱95℃放入2分钟取出的自然干燥），预热（180℃另一个预热炉中至恒温止）放入含有钛催化剂的渗氮盐液中600℃（钻头保温60分钟，冲头2小时）空冷清洗（槽液中含纯碱和甲醛稀溶液保持碱性甲醛有余量）残盐洗掉后取出。250℃另一炉中保温1小时即为成品。钛棒可直接加入，开始要少放逐步增多放入于盐液中。清洗液以纯碱和甲醛调整达标排放。引风机在出风口按装，设有喷雾装置的旋风分离器以同清洗液喷雾循环的炉废气充分吸收破坏氰化物使废气排放达标。

    盐液中可以有多个钛棒，开始加入时要少加，逐步多加，温度600℃以上，钛棒接负电极，用石墨或海棉钛接正极，电流1安培～5安培，时间1分钟。后断电，保留1个小时，将钛棒取出化验钛的含量，质量好的盐呈洁白色，不好的呈暗灰色。

共渗后高速钢钻头表面硬度（HVlOOg）1400～1600，实际使用寿命提高4倍。3Cr2W8V冲头表面硬度（HVl00g）l300～1500使用寿命提高7倍。

实施例2  

共渗工件45#钢试片（Φ25X3毫米距边4毫米有一Φ3透孔系导线一根，（利用离子镀的钛棒，镀钛厚度3微米）原表面硬度（HV100g）210三片。

共渗盐原料比例：尿素60%，碳酸钠40％使用中盐分析成分：氰酸根5%,氰根13%,碳酸根20％，按上述工艺：将渗氮工件清洗除油，自来水洗，1: 1盐酸浸洗10分钟，水洗，烫干（含2％纯碱93℃3分钟取出）自然干燥，预热（另一炉中185℃至恒温）将钛棒100根放入630℃不锈钢坩锅盐液中，保温60分钟取出空冷，清洗（废棒可重复使用），盐中含钛量1.3万。经180℃预热的放入620℃盐中保温2小时，水冷并清洗除残盐（糟液中以纯碱维持碱性稀甲醛溶液），250℃回火1小时即为成品。通风口设一进口有喷雾装置的旋风分离循环有清洗糟液，只要控制糟中有余量的甲醛和碱性及废气中氰化物即可完全消除达标。

共渗后45#钢试片：表面硬度（HVl00g）1203，氮化层化合物层（暗层）110微米。

实施例3

共渗工件：45#钢试片三片，表面硬度（HV100g）210尺寸为Φ25X3毫米距边4毫米设Φ3孔。

   钛催化剂以离子镀获得：

   按上述工艺：将45#钢（Φ10X200毫米棒一端有Φ3透孔）先用布轮机械抛光，干净布类沾酒精擦洗干净，进行离子镀3小时常温镀钛，厚度3微米。

共渗盐原料配比：尿素50％碳酸钠40％碳酸钾10%, A3坩埚，使用中盐浴成份为：氰酸根9％、氰根13％、碳酸根21%，在620℃将钛棒150根加入盐液中保温1小时取出空冷，水洗碱液（水中含有纯碱和甲醛稀溶液，此液依使用程度可分析达标排放）重复使用。盐浴重量共5㎏，钛含量1.2/万。

    按上述工艺：将试片清洗剂除油，水洗，1: 1盐酸浸10分钟，水洗，烫干：(2％纯碱液95℃浸入2分钟取出自然干燥），预热（183℃ 5分钟）。共渗(620℃2小时）后水冷清洗（含纯碱和甲醛稀液溶液），250℃回火1小时，在通风口设一喷雾装置的旋风分离器，可使工件清洗水及废气达标排放。

   共渗后试片表面硬度（HV100g) 1050，化合物层50微米。

Claims (10)

1.定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，先镀钛棒，同螺旋体得到钛催化剂，再用钛催化剂促进对工件进行共渗。

2.根据权利要求1所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，通过水溶液电镀法或干式离子镀法，获得钛的纯金属和钛的低价氧化物为催化剂。

3.根据权利要求2所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，所述水溶电镀钛法溶液的成份为：

三氧化钛（15wt％）      5～50   毫升/升

酒石酸                  5～150  克/升

柠檬酸                  3～50   克/升

蔗  糖                  5～30   克/升

草  酸                  30～50  克/升

甘  油                  10～50  克/升

双氧水                  50～100毫升/升。

4.根据权利要求3所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，所述水溶电镀钛法溶液中再加入氢氧化钠5wt％或氢氧化钾5wt％或氢氧化铵调整为PH 7.5～12后再加入明胶或阿拉伯树胶5～20克/升，作为分散剂，余量为水，作为先镀钛的溶液。

5.根据权利要求4所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，在所述水溶电镀钛法溶液温度为10～40℃，时间为15～60分钟，电流密度为1～3.5安培/分米2，以石墨或海棉钛为阳极的条件下，将碳素钢螺旋丝用盐酸清洗之后水洗，水洗后放入电镀液中，作为载体，接负电极，将其镀上钛的纯金属和钛的低价氧化物，即成为钛螺旋丝。

6.根据权利要求5所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，所述的渗氮炉的炉内温度为600℃以上，搅拌，保持60分钟以上，渗氮的工件，经过清洗处理后150～200℃预热，进行渗氮，半小时～2小时，然后取出冷却放入含碱性及低浓度甲醛溶液的清洗水中，再以250℃进行1小时回火处理，即完成氮化。

7.根据权利要求2所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，所述的干式离子镀钛的氮化工艺是先将碳素钢棒机械抛光，用布轮抛光带酒精擦洗干净，进行离子镀0.5～3小时，常温镀钛，厚度2-3微米，而获得钛棒；再将钛棒送入盐浴碳氮共渗炉中渗氮。

8.根据权利要求7所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，所述的共渗炉的炉内温度为600℃以上，盐液需要不停的搅拌使钛加速挥发进入盐液中；保持60分钟以上，使钛的含量达到0.5/万～4/万(质量比)，这时将要渗氮的工件，经过清洗处理，经150～200℃预热后进行共渗，时间为半小时～2小时，然后取出冷却放入含碱性及低浓度甲醛溶液的清洗水中，以消除有毒的氰根，再以250℃进行1小时回火处理，即完成氮化。

9.根据权利要求3或7所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，所述的共渗盐液为尿素30～50wt％，碳酸钾或碳酸钠25～35wt％，氯化钠或氯化钾25～35wt％，使用中分析成份：氰酸根3～34wt％，氰根25～0wt％，氯根27～30wt％，碳酸根25~0wt%； 或者是以下盐液：氮源：尿素55～65wt％，碳源：碳酸钠或碳酸钾35～45wt％，使用中分析成份氰酸根3～34wt％，氰根25～0wt％，碳酸根25～0wt％。

10.根据权利要求9所述的定量钛氮化碳氮共渗技术，其特征在于，当氰根在24％以上和碳酸根30％以上则过高，盐液不稳定变稠，凝点升高，为此加入适量尿素使碳酸根下降。