CN103184457B

CN103184457B - 一种表面合金化强化方法

Info

Publication number: CN103184457B
Application number: CN201110448307.4A
Authority: CN
Inventors: 杜风贞; 马通达; 孙泽明; 朱其芳; 王福生; 刘安生; 张东晖
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: National standard (Beijing) inspection & Certification Co., Ltd.
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN103184457A

Abstract

本发明涉及一种表面合金化强化方法，包括(1)首先配制电镀液主盐溶液，以氯化亚铁、硫酸亚铁或者硫酸亚铁铵为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，再加入抗氧化剂、消泡剂和光亮剂；(2)将耐磨减磨颗粒进行超声分散后加入，再超声分散；(3)静置，除去≥5μm的粗颗粒，获得复合电镀液；(4)将耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成5～50μm的合金复合镀层；(5)电镀完成后清洗，加热干燥；(6)加热扩散并去应力退火，使电镀层与基体达到冶金结合；(7)进行渗碳或碳氮共渗淬火，淬火后进行去应力低温回火，工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织。处理后得到冶金结合的表面强化涂层，使零件耐用度显著提高。

Description

一种表面合金化强化方法

技术领域

本发明涉及一种表面合金化强化方法，属于复合电镀技术领域。

背景技术

高速耐磨表面强化方法，一直是获得减少磨损量、降低摩擦系数的摩擦副的一个重要手段，不同的表面零件部件处理方式所达到的效果并不相同，当然不同的生产使用状况，也对摩擦副处理方法的选择也不相同，摩擦副的质量是其使用寿命和应用效果关键所在。目前，重载低速摩擦副一般采用全基体均具有耐磨减摩功能的材料来完成，或者牺牲摩擦副的一个低成本、易更换对摩擦副，使之成为易耗件，但是更换频繁必然影响增加停车检修的总时间，因此在工程应用中经常采用先进技术来提高两个摩擦副的强度硬度或表面涂覆增加降低摩擦系数的涂层或颗粒等手段达到提高使用寿命的目的，而在高速轻载摩擦副一般采用表面强化就能在低成本下获得不错的综合使用效果。在高速滑动摩擦环境状况下，高强高硬度的钢铁摩擦副或因为对磨磨合期或走熟过程中，产生火花，使淬火形成的马氏体局部分解脱碳，最后在两个摩擦副零件表面形成犁沟或者热蚀疲劳带等缺陷，带来摩擦副的摩擦面粗糙度增加而跳动加剧，反而达不到摩擦副的稳定运行效果，又因为低碳钢成本低廉，在制造高速轻载零部件具有较高的成本优势，因此工农业中这类工程构件应用量非常大，如轻纺行业。

发明内容

本发明目的是解决现有技术中的问题，提高材料表面红硬性，以达到零件在高速摩擦初期的火花降低，减少磨合期形成的缺陷，并最终成倍提高零件的使用寿命。

本发明提供了一种表面强化工艺路线，解决了当前生产过程中的轻载高速摩擦副寿命短的不足之处。首先在低碳低合金钢零件表面通过电镀将减磨耐磨的Si3N4颗粒、WC、CrC、VC耐磨等颗粒共镀到工件表面，使形成5～50μm的合金复合镀层；然后，再在中性气氛高温度下做热处理扩散，再次通入高碳势气氛做传统的渗碳或碳氮共渗等工艺处理，处理时间相对传统工艺较短，最后再加入扩散时间使碳在金属中扩散获得一个较大的过渡层后，出炉淬火后低温回火，经简单磨光后成为表面达到冶金结合的合金强化层，该层因为有高耐磨颗粒，提高材料红硬性的碳化物颗粒，因此，在工件磨合期摩擦副的损伤将大大降低，同时与仅采用渗碳淬火工艺获得的零件相比，能够显著提高零件的耐磨性能，使用寿命也成倍提高。

本发明的表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)首先，配制电镀液主盐溶液，以氯化亚铁、硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵等作为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，如三价铬盐作为合金盐，并加入抗氧化剂、消泡剂、光亮剂等，获得澄清电镀液主盐溶液；

(2)将耐磨减磨颗粒进行超声分散，加入到电镀液主盐溶液中，再加入分散剂，进一步超声分散；

(3)静置，除去≥5μm的粗颗粒，留下1～5μm的颗粒，获得复合电镀液；

(4)进行电镀，将耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成5～50μm的合金复合镀层；电镀过程中，不断搅拌液体，防止复合颗粒沉淀于镀槽底部，阳极材料采用低碳钢或工业纯铁，并依据电流密度，工件大小，调整阳极面积。

(5)电镀完成后采用高于电镀液的热纯水清洗，放入烘箱内加热干燥，温度为100～150℃；

(6)将干燥后的工件趁热换挂具转入中性气氛炉内加热扩散并去应力退火，温度为750～800℃，使电镀层与基体达到冶金结合；

(7)将去应力退火后的表面电镀合金化工件进行渗碳或碳氮共渗淬火，淬火后进行去应力低温回火，工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织；

(8)出炉后进行表面抛光，获得成品。

步骤(1)中，所述的耐磨合金元素的盐优选为CrCl₃。

步骤(2)中，所述的耐磨减磨颗粒为Si₃N₄、WC、CrC或VC颗粒等，其粒径≤5μm。

步骤(3)中，所述复合电镀液中，CrCl₃浓度为0.1～0.6mol/l，FeCl₂、硫酸亚铁或硫酸亚铁铵浓度为0.1～0.8mol/l，所述的耐磨减磨颗粒在镀液中的加入量为1～15g/L。

步骤(7)中，所述的渗碳以丙酮做碳源时，910℃渗碳，保温1小时，然后随炉冷至850℃出炉油淬火；所述的碳氮共渗为在840℃保温1小时，然后出炉油淬火。

步骤(7)中，优选的，为防止渗碳层碳含量过高，还应先做均匀化扩散后再淬火。

步骤(7)中，所述的去应力低温回火为在150℃下保温2小时。

本发明是一种轻载高速摩擦副长寿命表面合金强化手段，采用电镀作表面合金化，既可以采用镀液合金共沉积，也可以采用微粒复合电镀方法达到合金化的目的。合金化后采用传统的化学热处理得到冶金结合的表面强化涂层，使零件耐用度显著提高。

本发明的优点在于：

1、采用合金电镀共沉积获得表面合金化镀层，再经过渗碳或碳氮共渗法获得高硬高耐磨表面合金镀层，获得表面均匀致密的耐磨合金渗碳体作为耐磨功能层。

2、采用复合电镀思想，使得耐磨碳化物或氮化物粉末与粘结电沉积铁或者铁铬合金均匀沉积到低碳钢基体上形成复合镀层，达到表面合金化目的，渗碳淬火后形成耐磨功能层；

3、电镀合金液的合金元素可根据需要配置不同种类和不同百分比浓度，使获得的合金镀层可调，如铬含量可由0～30％间调整。

4、复合镀层可由一种或多种耐磨减摩颗粒组成，镀液要做充分分散，并还可以按工件的使用要求做梯度添加，形成具有颗粒浓度梯度的复合镀层。

5、镀液中的合金提供液体可以单独配制，在电镀不同阶段合理添加，使形成合金沉积呈合金浓度有一定梯度，形成梯度镀层。

本发明方法适用于各种高速轻载摩擦副的表面强化层加工。可采用低成本批量生产高质量、长寿命的零件。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为电镀装置示意图。

图2为渗碳装置示意图。

图3热处理前化学镀层抛光后表面的SEM形貌(1500×)。

图4热处理前镀层纵切面的SEM形貌(2000×)。

具体实施方式

本发明的表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)首先，配制电镀液，镀液多采用氯化物或者采用硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵等作为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，如三价铬盐作为合金盐，并加入抗氧化剂、消泡剂、光亮剂等，获得澄清镀液主盐溶液，CrCl₃浓度为0.1～0.6mol/l，FeCl₂、硫酸亚铁或硫酸亚铁铵为0.1～0.8mol/l。

(2)将耐磨减磨颗粒Si₃N₄、WC、CrC、VC颗粒等进行超声分散，并加入到镀液中，加入量在1～15g/L间，并加入少量的分散剂，再进一步超声分散。

(3)静置一段时间，将颗粒较大的粗颗粒(如超过5um的颗粒)除去，留下1～5um的，成为最终复合电镀液。

(4)电镀过程中，不断搅拌液体，防止复合颗粒沉淀于镀槽底部，阳极材料采用低碳钢或工业纯铁，并依据电流密度，工件大小，调整阳极面积。耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成5～50μm的合金复合镀层；

(5)电镀完成后采用高于电镀液的热纯水清洗后，放入烘箱内加热干燥，温度在100～150℃。

(6)将干燥后的工件趁热换挂具转入中性气氛炉内加热扩散并去应力退火，温度达到750～800℃，保温1小时，工件较大时应计算保温时间，使电镀层与基体达到冶金结合。

(7)将去应力退火后的表面电镀合金化工件进行渗碳或碳氮共渗淬火并防止渗碳层碳含量过高，还应做均匀化扩散后再淬火，工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织。如渗碳为丙酮做碳源时，910℃渗碳，保温1小时，并随炉冷至850℃出炉油淬火；碳氮共渗温度为840℃保温1小时，然后出炉油淬火；淬火后马上作去应力低温回火150～200℃并保温2小时。

(8)出炉后进行表面抛光获得成品。

实施例1

本发明的表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)配置电镀液，

多采用氯化物或者采用硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵等作为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，如三价铬盐作为合金盐，并加入抗氧化剂(VC)、消泡剂、光亮剂、去应力剂糖精等，获得澄清镀液主盐溶液。

(2)将耐磨减磨颗粒Si₃N₄颗粒进行超声分散，分散剂是为OP，加入1ml/l，超声分散至少10分钟，然后加入到镀液中，上述颗粒添加量一般在10g/L，然后再加入少量的，如1ml/l分散剂0P，进一步超声分散10分钟。

(3)静置一段时间(1～2分钟)，将已经沉底的颗粒较大的粗颗粒(超过约5um的颗粒)除去，配制成为最终复合电镀液。具体组成如下：

CrCl₃·6H₂O 0.6mol/l，FeCl₂·4H₂O 0.1mol/l，NH₄Cl 0.4mol/l，NaBr 0.1mol/l，H₃BO₃ 0.1mol/l，氨基乙酸0.7mol/l，颗粒Si₃N₄ d50＝3μm 5g/L。

(4)电镀：

采用图1所示的电镀装置，该电镀装置由阳极1、阴极2、加热器3、搅拌器4、镀槽5、工件6和电源控制柜7组成。

电镀时，镀液pH＝1～3之间，温度为30℃，采用盐酸调节pH值。直流电镀，电流密度10～30A/dm²，时间1小时。

电镀过程中，不断搅拌电镀液体，防止复合颗粒沉淀于镀槽底部，阳极材料采用低碳钢或工业纯铁，并依据电流密度，工件大小，调整阳极面积。耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成20μm厚的合金复合镀层；

(6)将干燥后的工件趁热换挂具转入中性气氛炉内加热扩散并去应力退火，温度达到750～800℃，保温1小时，使电镀层与基体达到冶金结合。

(7)将去应力退火后的表面电镀合金化工件进行渗碳或碳氮共渗淬火，一般传统渗碳工艺即可，渗碳装置如图2所示，如渗碳以丙酮做碳源时，在910℃渗碳，保温1小时，然后随炉冷至850℃出炉油淬火；淬火后马上作去应力低温回火180℃保温2小时。为防止渗碳层碳含量过高，还应做均匀化碳扩散后再淬火，工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织。出炉后进行表面抛光获得成品。

图3是热处理前化学镀层抛光后表面的SEM形貌(1500×)，图4是热处理前镀层纵切面的SEM形貌(2000×)。

表面合金化处理后，工件表面显微硬度达到HV0.2900左右，纺纱钢领使用性能从原来寿命3个月提高到现在的1年2个月，且该批钢领仍在服役之中。

实施例2

本发明的表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)配置电镀液，多采用氯化物或者采用硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵等作为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，如三价铬盐作为合金盐，并加入适量抗氧化剂(VC)、消泡剂、光亮剂、去应力剂糖精等，获得澄清镀液主盐溶液。

(2)将耐磨减磨颗粒WC颗粒加入到主盐溶液，颗粒添加量为15g/L，然后再加入少量分散剂，如1ml/l分散剂0P，进行超声分散10分钟。

CrCl₃·6H₂O 0.1mol/l，FeCl₂·4H₂O 0.6mol/l，NaBr 0.1mol/l，H₃BO₃ 0.1mol/l，氨基乙酸0.7mol/l，颗粒WC d50＝2μm 15g/L。

(4)电镀：

采用图1所示的电镀装置，电镀时，镀液pH＝1～3之间，温度为30℃，采用盐酸调节pH值。采用直流电镀，电流密度20A/dm²，时间20min。

电镀过程中，不断搅拌电镀液体，防止复合颗粒沉淀于镀槽底部，阳极材料采用低碳钢或工业纯铁，并依据电流密度，工件大小，调整阳极面积。耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成15μm厚的合金复合镀层；

(7)将去应力退火后的表面电镀合金化工件马上进行碳氮共渗淬火，一般传统碳氮共渗工艺即可，如碳氮共渗温度为840℃时间2小时，扩散1小时，然后出炉油淬火；淬火后马上作去应力低温回火如200℃保温2小时。工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织。出炉后进行表面抛光获得成品。

实施例3

本发明的表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)配置电镀液，

多采用氯化物或者采用硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵等作为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，如三价铬盐作为合金盐，并加入抗氧化剂(VC)、消泡剂、光亮剂糖精等，获得澄清镀液主盐溶液。

(2)将耐磨减磨颗粒CrC颗粒等进行超声分散，分散剂是为OP，加入1ml/l，超声分散至少10分钟，然后加入到镀液中，上述颗粒添加量一般在10g/L，然后再加入少量的，如1ml/l分散剂0P，进一步超声分散10分钟。

(NH₄)₂Fe(SO₄)₂.6H₂O 0.8mol/l，NH₄Cl 0.3mol/l，H₃BO₃ 0.1mol/l，抗坏血酸2g/L，颗粒CrC d50＝3μm 10g/L。

(4)电镀：

采用图1所示的电镀装置，电镀时，镀液pH＝1.5～2.5之间，温度为40℃，采用盐酸调节pH值。直流脉冲电镀，1KHZ，脉宽70％，电流密度25A/dm²，时间1小时。

电镀过程中，不断搅拌电镀液体，防止复合颗粒沉淀于镀槽底部，阳极材料采用低碳钢或工业纯铁，并依据电流密度，工件大小，调整阳极面积。使耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成50μm厚的合金复合镀层；

(7)将去应力退火后的表面电镀合金化工件进行渗碳或碳氮共渗淬火，一般传统渗碳工艺即可，如碳氮共渗为在840℃保温2小时，然后出炉油淬火；淬火后马上作去应力低温回火180℃保温2小时。为防止渗碳层碳含量过高，还应做均匀化扩散后再淬火，工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织。出炉后进行表面抛光获得成品。

实施例4

本发明的表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)配置电镀液，硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵等作为主盐，并加入抗氧化剂(VC)、缓冲剂、消泡剂、光亮剂糖精等，获得澄清镀液主盐溶液。

(2)将耐磨减磨颗粒VC颗粒加入到主盐镀液中，颗粒添加量1g/L，然后再加入少量的分散剂十二烷基磺酸钠0.1g/l，进一步超声分散10分钟。

FeSO₄ 300g/L，NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O 40g/L，NaCl 10g/L，抗坏血酸2g/L，十二烷基磺酸钠0.1g/l，颗粒VC d50＝3μm 1g/L。

(4)电镀：

采用图1所示的电镀装置，电镀时，镀液pH＝2～3之间，温度为40℃，采用硫酸调节pH值。直流电镀，电流密度20A/dm²，时间1小时。

电镀过程中，不断搅拌电镀液体，防止复合颗粒沉淀于镀槽底部，阳极材料采用低碳钢或工业纯铁，并依据电流密度，工件大小，调整阳极面积。耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成50μm厚的合金复合镀层；

(7)将去应力退火后的表面电镀合金化工件进行渗碳或碳氮共渗淬火，一般传统渗碳工艺即可，如渗碳以丙酮做碳源，在910℃渗碳，保温1小时，然后随炉冷至840℃出炉油淬火；淬火后马上作去应力低温回火180℃保温2小时。为防止渗碳层碳含量过高，还应做均匀化碳扩散后再淬火，工件表面层获得理想的高硬度合金马氏体组织。出炉后进行表面抛光获得成品。

本发明采用水溶液电镀达到合金共沉积或采用复合电镀技术获得零部件表面合金化基础，在此基础之上采用传统的碳氮共渗或渗碳，将强碳化物形成元素碳化，在涂层内部形成合金渗碳体，或者预先碳化物颗粒复合镀到工件表面，采用热处理达到冶金结合的同时在做表面渗碳淬火强化，使得涂层中高硬度颗粒与涂层基体以及涂层与基体金属达到冶金结合，并得到匹配的综合硬度强度效果。

Claims

1.一种表面合金化强化方法，包括如下步骤：

(1)首先配制电镀液主盐溶液，以氯化亚铁、硫酸亚铁盐或者硫酸亚铁铵为主盐，加入强碳化物形成元素作为耐磨合金元素的盐，再加入抗氧化剂、消泡剂和光亮剂，获得电镀液主盐溶液；

(3)静置，除去≥5μm的粗颗粒，获得复合电镀液；

(4)进行电镀，将耐磨减磨颗粒共镀到工件表面，形成5～50μm的合金复合镀层；

(8)出炉后进行表面抛光，获得成品。

2.根据权利要求1所述的表面合金化强化方法，其特征在于：所述的耐磨合金元素的盐为CrCl₃。

3.根据权利要求1所述的表面合金化强化方法，其特征在于：所述的耐磨减磨颗粒为Si3N4、WC、CrC或VC颗粒。

4.根据权利要求1所述的表面合金化强化方法，其特征在于：所述的复合电镀液中，CrCl₃浓度为0.1～0.6mol/l，FeCl₂、硫酸亚铁盐或硫酸亚铁铵浓度为0.1～0.8mol/l，所述的耐磨减磨颗粒的含量为1～15g/L。

5.根据权利要求1所述的表面合金化强化方法，其特征在于：所述的渗碳为以丙酮做碳源，在910℃渗碳，保温1小时，然后随炉冷至850℃出炉油淬火；所述的碳氮共渗为在840℃保温1小时，然后出炉油淬火。

6.根据权利要求1所述的表面合金化强化方法，其特征在于：先做均匀化扩散后再淬火。

7.根据权利要求1所述的表面合金化强化方法，其特征在于：所述的去应力低温回火为在150℃下保温2小时。