CN1032316C - 钢铁工件渗氮的快速熏渗方法 - Google Patents

Abstract

本发明属金属表面化学热处理技术。本发明的方法是把某种高氮化合物作为熏渗剂，将工件和熏渗剂同时装入熏渗箱，在加热时熏渗剂升华并包覆工件，其催化分解产生的活性氮原子被工件吸收并形成渗层的方法。本方法优于常规气体渗氮，时间短、渗剂省、效果好。一般在500-900℃熏渗10-60分钟可获得化合物层厚度达35-210μm。本方法可利用常规热处理设备，可用于连续化生产线和真空渗氮，亦可和常规固体、气体渗氮或碳氮共渗等工艺结合使用。

Description

钢铁工件渗氮的快速熏渗方法

本发明属金属表面化学热处理技术。本发明的方法不同于传统的气体渗氮，气体渗氮是利用NH₃和NH₃＋N₂气体在氮化炉中的热分解而使工件表面获得氮化层的方法。本发明的方法是利用一种可升华的高氮化合物，通过加热使之全部“烟雾化”并沉积在工件表面，再通过在工件表面上的催化分解，使产生的活性氮原子渗入工件而获得氮化层的方法。根据这一特点将该工艺称之为“熏渗”。本发明用作熏渗剂的高氮化合物是蜜白胺、蜜勒胺和蜜弄，上述物质通称为三聚氰胺聚合物。

迄今为止所有已公知公用的，其渗层表面具有ε—相化合物层特征的传统渗氮和氮碳共渗工艺，无论是气体法、液体法还是固体法，多数处理温度不超过570℃，当处理时间在1—4小时范围内时，一般获得的化合物层厚度不超过30μm。其部分典型工艺及其化合物层厚度列于表1。表1数据具有普遍意义，与目前国内外的实际应用相吻合。

表1.部分典型氮碳共渗工艺和渗层的比较

工艺名称	渗剂	处理温度	处理时间	化合物层厚度	文献
						FON       工艺	NaCNO	570℃	1h	13-28μm	[1]
Nitemper  工艺	50％NH3＋50％吸热式气体	570℃	3h	18μm	[2]
						Triniding 工艺	20％NH3＋30％N2	57O℃	4h	12μm	[2]
Gorodetsky工艺	聚酰胺	480—680℃	2-4h	0μm*	[3]

*扩散层深度为60-90μm[1] 文联煜等，FON工艺的研究与应用，天津纺织工学院学报，1989

年No.4，p113--121。[2] C.Dawes et al.A Re-Appraisal of Nitrocarburizing and

Nitriding With Applied to the Design and Manufacture of

Non-Alloy Steel Automobile Components，Journal of Heat

Treating，Vol.1，No.2，December 1979，p30-42.[3] D.B.Gorodetsky et al，Method of Low Temperature Nitrocarbu-

rizing of Steel Articles，European Patent No.EP 0323511，

Convention date 16 June 1987.

鉴于在渗氮和氮碳共渗时工件表面的强化是靠获得一层硬的氮化物而不是靠相变马氏体，在Fe—N二元系相图上奥氏体共析温度是590℃，在Fe—N—C三元系相图上奥氏体的共析点是565℃，因而传统工艺的处理温度从不逾越570℃。另外，一个更重要的实际困难在于渗氮剂。例如氨，几乎是所有传统的气体渗氮和气体氮碳共渗工艺所采用的主体渗剂，而氨的热稳定性较差，随温度升高氨的分解速度加快，在500℃左右NH₃基本上分解为N₂＋H₂，在分解过程中所生成的活性氮原子[N]，可进入钢铁工件形成氮化层。但活性氮原子也极易结合成N₂，而N₂是相当稳定的，通常不能由N₂分解得到[N]，故当处理温度过高时，意味着NH₃在到达工件表面之前已提前分解，丧失了所具有的渗氮能力。

总之，温度低、时间长、渗层薄是传统渗氮和氮碳共渗工艺的特点和问题。本发明目的在于克服上述缺点，以便提出新的技术方案来取得“温度高、时间短、渗层厚”的应用效果。

为解决上述传统技术存在的问题，本发明技术方案的特征之一是采用熏渗方法。即采用高氮化合物作熏渗剂，熏渗剂在加热过程中将全部“烟雾化”，并同时完成升华—沉积—包覆工件的过程。粘附在工件表面的熏渗剂所形成的涂层或膜，既能在工件表面上催化分解，向工件提供活性氮原子[N]，又对工件有机械和化学的保护作用—防止氧化和脱碳。

本发明技术方案的另一特征是采用三聚氰胺聚合物作熏渗剂。蜜白胺[melam]、蜜勒胺[melem]和蜜弄[mellon(e)]均是已知的三聚氰胺聚合物，参见《Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology》第2版，第6卷，第571页。在常温常压条件下，上述物质均为白色团块或粉末，化学性能非常稳定，不含有毒或危险成分。同传统工艺使用的渗氮剂相比，作为熏渗剂的三聚氰胺聚合物具有如下三个特点：

1.含氮量高，参见表2。

2.在常压条件下可升华，无熔点，加热到350℃蜜自胺、蜜勒胺开始升华，加热到600℃蜜弄开始升华。在700℃以上的持续加热条件下，蜜白胺、蜜勒胺、蜜弄均可全部升华而不留残余物质。

3.蜜白胺、蜜勒胺和蜜弄在分子结构上均有牢固的三嗪环，因而热分解温度高于氨和聚酰胺等物质。

同传统工艺相比较，本发明的技术方案具有渗氮温度高，处理时间短、获得的渗层厚，以及设备操作简单等优点。在不同温度条件下实施本发明技术方案，处理60分钟，获得的ε-相化合物层厚度列于表3。

实施本发明的最优技术方案是，将被处理工件同约占工件重量5.0-0.1％的熏渗剂，一起装入一个被称为熏渗箱的密封容器，不必使用填充剂。但在装箱时，应选用较小尺寸熏渗箱或多装工件，以使箱内剩余空间尽量减少。同时，熏渗箱应有可灵活开启的箱盖并便于装卸工件。熏渗温度可选在500-900℃范围，普通碳钢以700℃为宜。保温时间为10-60分钟。熏渗剂的投放量一般与处理温度和被处理工件的表面积有关，处理温度越高，被处理工件的表面积越大，则所需消耗的熏渗剂就越多。为提高被处理工件的屈服强度和疲劳强度，渗氮或氮碳共渗后的工件应直接淬入油或水中。表2 本发明所用渗剂与部分典型渗剂的比较

表3采用本发明技术方案获得的化合物层厚度

*纯铁在900℃时获得的化合物层极易脱落，脱落处的数据为零

本发明技术方案的实施例如下：

实施例1材料：分别为纯铁、20钢和60钢。工件重量和尺寸：边长为20mm的立方体试样，重量为60.8克。熏渗剂投放量：100克，约占装炉量的0.7％。熏渗箱：内腔尺寸为φ150×150mm钛罐。电炉：普通20kw实验电阻炉。熏渗工艺：加热到700℃并保温60分钟，然后油冷。处理结果：纯铁的化合物层厚度为75μm，显微硬度为HV552.8；

      20钢的化合物层厚度为40μm，显微硬度为HV802.4；

      60钢的化合物层厚度为67μm，显微硬度为HV643.8。

      (注：测试显微硬度的负荷皆为200克)

                 实施例2材料：60钢。工件重量和尺寸：边长为20mm的立方体试样，重量为60.8克。熏渗剂投放量：100克，约占装炉量的0.7％。熏渗箱：内腔尺寸为φ150×150mm钛罐。电炉：普通20kw试验电阻炉。熏渗工艺：加热到800℃并保温10分钟，然后油冷。处理结果：化合物层厚度为125μm，显微硬度为HV643.8。

      (注：测试显微硬度的负荷为200克)

Claims (5)

1.一种渗氮方法，在密封的渗氮箱中，渗剂与工件一起被加热至渗氮温度，借助渗剂分解出活性氮原子与热工件表面发生作用，被吸收并向工件内部扩散后形成氮化层(包含化合物层和过渡层)，其特征是：渗剂是三聚氰胺聚合物，是一种分解温度高，无熔点可升华的物质，在加热时能升华、沉积或包覆在工件表面，在500-900℃的渗氮温度条件下对工件实施快速熏渗。

2.根据权利要求1的渗氮方法，其中，所述的渗剂三聚氰胺聚合物，其化学成分是蜜弄(C₆H₃N₉)_n。

3.根据权利要求1的渗氮方法，其中，所述的渗剂三聚氰胺聚合物，其化学成分是蜜勒胺C₆H₆N₁₀。

4.根据权利要求1的渗氮方法，其中，所述的渗剂三聚氰胺聚合物，其化学成分是蜜白胺C₆H₉N₁₁。

5.根据权利要求1的渗氮方法，其中，所述的渗剂三聚氰胺聚合物，其化学成分是由蜜弄(C₆H₃N₉)_n、蜜勒胺C₆H₆N₁₀和蜜白胺C₆H₉N₁₁等三种物质组成的混合物。