CN1041117C - 硬化的奥氏体不锈钢螺钉及其制造方法 - Google Patents

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本发明涉及一种奥氏体不锈钢螺钉,除去螺钉的预定部分之外,在奥氏体不锈钢螺钉表面设有氮化层。本发明还涉及该螺钉的制造方法,即在渗氮气氛中加热奥氏体不锈钢螺钉,以在其表面形成氮化层,将奥氏体不锈钢螺钉的预定部分的氮化层清除。根据本发明制造和所提供的螺钉的暴露部分具有抗腐蚀性能,因而不会生锈。

Description

硬化的奥氏体不锈钢螺钉及其制造方法
本发明是关于耐蚀性极高的硬化的奥氏体不锈钢螺钉及其制造方法的技术。
奥氏体不锈钢的耐酸性或耐盐性一般高于碳钢,但其表面硬度和强度低于碳钢。所以,这种不锈钢用于尤其是需要自攻紧固铁板的螺钉是不适宜的,例如,自攻螺钉,自钻螺钉和墙壁用螺钉。为此现在使用渗碳钢制品或Cr13型不锈钢制品。应予指出的是,这些制品不仅在抗氧化(防锈)性能方面低于奥氏体不锈钢制品,而且在紧固功能方面,也存在着弱点,因为其材质受如今很大环境问题之一的酸性雨水所腐蚀。在这一方面,奥氏体不锈钢制品具有相当优越的耐酸性能,因此,一些发明者提供了这样一种新技术:即对奥氏体不锈钢螺钉进行渗氮硬化,以便保持象用渗碳钢制的螺钉一样的自攻特性。(见日本专利中请号177660/1989和267729/1990)。
根据这一技术,由于在奥氏体不锈钢螺钉的整个表面形成了一层很硬的氮化层,所以此种螺钉甚至可以在厚铁板上钻入和强制自攻。然而,这种技术存在严重的缺陷,这是因为所形成的氮化层缺乏奥氏体不锈钢所具备的足够耐蚀特性。例如,使用这种经氮化的奥氏体不锈钢螺钉时,其暴露于外部的钉头易于生锈。当使用(紧固)螺钉时,一般其钉头和周围是可见的,暴露于外部。作为市场商品的奥氏体不锈钢螺钉,会因其钉头生锈而使颜色有些改变而降低价值。为防止这些地方生锈,可在氮化后对氮化层表面施以镀层或喷涂方法,但这只是一种临时解决办法,不是解决问题的根本措施。为使钉头或类似部分不被氮化,也曾提出过一些方法,例如,在氮化之前就所述部分镀铜或者用热涂层保护。然而,即使采用了这些方法,还是难于完全防止所述部位奥氏体不锈钢表面的氮化。
从而,本发明的目的是提供一种硬化的奥氏体不锈钢螺钉,它不仅具有象渗碳钢制螺钉一样的自攻特性及其它性能,而且,对暴露于外面的可见部分而言,例如螺钉头,具有抗腐蚀性,从而排除生锈现象及类似情况。
为实现上述目的,作为本发明的第一要点,是提供一硬化的奥氏体不锈钢螺钉,在奥氏体不锈钢螺钉表面形成氮化层,同时清除氮化螺钉中规定部位不需要的氮化层;作为第二要点是提供一种制造方法,制作硬化的奥氏体不锈钢螺钉,包括在氮化气氛中加热奥氏体不锈钢螺钉以形成螺钉表面氮化硬层的步骤,及清除奥氏体不锈钢螺钉规定部分氮化硬层的步骤。
在连续研究防止奥氏体不锈钢螺钉头部等部分生锈的过程中,本发明者找到了清除螺钉头等部位氮化层的方法,进行了一系列试验予以验证。他们发现,即使从螺钉头等部位清除了氮化层,经氮化改善的自攻和钻入的功能也不会降低,而且防腐蚀性能又得到了改善。奥氏体不锈钢螺钉氮化层的厚度一般要求30μm到200μm,为改善自攻和钻入功能最好是40到80μm。氮化层整个厚度的百分之六十到七十由合金层(表面层)构成,包含大量金属间化合物,例如CrN和FexNy以及N和C的固溶体的扩散层(内层)。氮化层表面上形成的合金层在防腐蚀性能方面,由于固溶体中可溶的Cr浓度大量降低而急剧减弱。另一方面,内扩散层在防腐蚀性能方面要优于合金层,但又低于核心部分的纯奥氏体不锈钢。例如,当形成氮化层时,对于氮化层表面,在中性的盐雾气氛试验中,生锈需要4到8小时;在从氮化层去除合金层后,扩散层需500到700小时才被腐蚀;在清除全部氮化层后,裸露出心部的纯奥氏体基体来说,需2000小时以上。这就意味着,当氮化层从暴露于外部的螺钉头等部位(紧固状态)清除后,防腐性能会得到改善,而且不会使利用氮化得到加强的自攻和钻入功能降低。
根据本发明,从奥氏体不锈钢螺钉表面全部形成的氮化层上,局部地清除在紧固时会与外部接触的螺钉头、颈部等部位的氮化层。清除这一部分后,露氏奥氏体不锈钢基体,防止生锈。
上述奥氏体不锈钢螺钉整个表面形成的氮化层由表面的合金层和是内部的扩散层所组成。一般,合金层的厚度为15到50μm,表面硬度(Hv)为750到1400,内扩散层厚度为20到100μm,表面硬度(Hv)为320到650。
在本发明中,螺钉头等部位由合金层及扩散层组成的氮化层要局部清除。
清除的方法有化学法,例如酸洗处理等,把奥氏体不锈钢螺钉头等浸渍于混合酸液中,例如,HCl+HNO3和HF+HNO3或放入单一酸液HNO3中,加热到60℃左右,还有机械法,例如打磨法。
利用化学法清除氮化层时,在浸入酸液之前,需对氮化层中要保留的部分,利用耐酸的涂层剂进行防护;或者利用倒置方法,只把奥氏体不锈钢螺钉头和颈部浸入酸中。此时,可以根据要清除的氮化层条件来控制酸的种类和浓度,温度和浸渍时间。这种清除氮化层方法的优点是要清除的部分可自由选择规定。
利用这种方法清除氮化层时,奥氏体不锈钢螺钉某些部分的直径,例如,要清除氮化层的钉头有颈部,将要变小,因此,钉头及颈部的直径,应按照清除氮化层的厚度,要设计大些。这样,防止由于螺钉头部和颈部直径变化而带来的紧固功能降低,及引起的抗断裂的扭转强度下降。
依据本发明制作硬化的奥氏体不锈钢螺钉的举例说明详述如下。
在本发明中,先把奥氏体不锈钢螺钉置于氟或含氟气体气氛中以在钢表面形成氟化层,而后在氮化气氛中加热清除上述氟化层,同时把清除的表面(螺钉表面层)转变成氮化层。在螺钉全部表面形成氮化层后,再清除所规定的螺钉部分上的氮化层,以防止该部分生锈。
在氮化之前进行上述预处理中,使用的“氟或含氟气体”意味着是至少为一含氟气源所组成的各种成分的稀释物,气源成分从NF3,BF3,CF4,HF,SF6,F2,CH2F2,CH3F,C2F6,WF6,CHF3,SiF4以及含有不活泼气体(例如N2)之中选出。在上述含氟气源成分中,NF3最适于实际应用,因为和其他相比,在活性、处理难易性和其他方面是优越的。如前所述,在本发明中,螺钉置于一定温度下的氟或含氟气氛中,例如置于NF3气氛中,加热温度为250到400℃,对奥氏体不锈钢螺钉表面进行预处理,而后,使用周知的氮化气体(例如氨)进行氮化(或碳氮共渗)。在特殊情况下,只使用F2气体或使用F2和不活泼气体的混合成分作为氟或含氟气体时,则上述加热温度只在100到250℃范围内即可。在这种氟或含氟气氛中,含氟气源成分(例如NF3)的浓度为1,000-100,000ppm,宜为20,000-70,000ppm,最好是30,000-50,000ppm。在这种氟或含氟气氛中的加热时间,可根据螺钉钢号种类、形状和尺寸、加热温度等适当选定,一般为10几分钟至20分钟。
图1是本发明的奥氏体不锈钢自钻入螺钉正视图;
图2是示例的氮化炉横断面视图;
图3是示例图,示出了预定的要去除氮化层的螺钉部分。
为更具体地用图解来说明使用氟或含氟气体进行预处理和氮化处理,图1内的X为奥氏体不锈钢螺钉,钉头为A,颈部为B,螺纹为C,去油后装入图2的热处理炉1。热处理炉1是一个带有坩埚的加热炉,其内容器4周围是位于外壳2里的加热元件3,进气管5和排气管6插入其内。气体由气瓶15和16经流量计17和阀18等进入进气管5,利用电机7驱动风扇8搅动内部气体。把置于金属容器11里的螺钉X装入炉内。在图2内。13为真空泵,14为有毒物质消除器。一种氟或含氟反应气体,例如NF3和N2的混合气体,进入炉内并加热于预定反应温度。在250-400℃时,NF3分解成新生氟分子,螺钉表面的有机和无机杂质、污物得到消除,与此同时,氟与表面上的元素Fe和铬和/或钢制件表面产生的氧化物例如FeO、Fe3O4和Cr2O3迅速起化学反应。结果,在螺钉外表面上,形成如下化合物:FeF2、FeF3、CrF2、CrF4,并且,它们象金属组织一样,依附于金属表面上,从而构成了一层很薄的氟化层。示例如下:
这些反应把螺钉X表面上的氧化层转换成氟化层。与此同时,表面上吸附的O2得到清除。在不存在O2,H2和H2O的条件下,在温度达到600℃时,氟化层是稳定的,并且可以认为,直到采取下一步氮化步骤时,稳定的氟化层可以防止金属基体上形成氧化层和吸收O2。在加热炉材料表面上也形成类似稳定的氟化层,使加热炉材料表面的损害减至最低。
而后,经氟化处理过的螺钉X被加热到480℃-700℃后进行氮化。在上述加热条件,使用NH3或NH3和碳化气体(例如RX气体)的混合气体,利用H2或少量水,使氟化层减少或遭到破坏,以得到奥氏体不锈钢本身的活性金属基体,反应方程式示例如下:
活性金属基体形成后,活性N原子被表面吸收,从而渗入金属结构并扩散,结果在表面上形成了包含诸如CrN,Fe2N,Fe3N和Fe4N的氮化合物层(氮化层)。
得到的氮化层包括合金层和扩散层并覆盖图1所示的整个螺钉X。本发明可以清除图1内所示螺钉的整个钉头A和颈部B一部分上的氮化层,和保留螺纹C和颈部B其余部分上的氮化层。清除方法是把HNO3-HF溶液用作酸洗液,并加热到50℃,然后螺钉头部A和颈部B置于酸液中,保持10~120分钟的时间,以溶化和清除氮化层。用化学方法清除氮化层是有放的,但有的时候,也可用清洗器或者类似设备清除。在经过清除处理的螺钉中,整个钉头和颈部一部分的氮化层被清除,以裸露出奥氏体不锈钢本身。由于经过这种处理,螺钉X具备了奥氏体不锈钢本有的足够的防腐性能。颈部B的一部分和螺纹C所保留的氮化层显著地增加了它的硬度(和奥氏体不锈钢的硬度相比),并得到和渗碳钢制螺钉同样的极好的自攻和紧固功能。
到目前为止,以螺钉为例对本发明作了说明,但螺栓也包括在所谓的螺钉之内。在上述的说明中,是利用NH3或包含NH3和含碳化气体混合气体进行氮化,但也可用辉光放电或盐浴来代替。
例1
十字槽自攻螺钉SUS305,用三氯乙烯液清洗奥氏体不锈钢(4.2mmφ×19mm),装入图2的加热炉1内,在含有5000ppm的NF3的N2气体中,在380℃温度下加热15分钟进行氟化。然后,把50%NH3+50%N2的混和气体通入炉内(下同:%是体积比),并升温到530℃,进行3小时的氮化处理。然后工件经空气冷却出炉。这种处理的螺钉的氮化层的深度为40μm。
除钉头和颈部一部分外(从钉头到颈部之下4mm),剩下的部分覆以氯乙烯树脂液,干燥覆有涂层的螺钉。而后,用10%的HNO3浓度溶液,在63℃条件下酸洗螺钉15分钟,取出,用水清洗并干燥。经这样处理后,用涂层掩蔽的自攻螺钉一部分(主要是螺纹部分)的表面硬度(Hv)为1000到1100。相反,用酸处理清除过的螺钉头部,其表面硬度为340到380。对自攻螺钉进行了盐雾试验(加速腐蚀试验),发现,露出奥氏体不锈钢基体的钉头和颈部甚至在2000小时以后也未生锈。相反,氮化层未被清除的部分(主要是螺纹部分)在6小时后即发现生锈。还对上述螺钉进行了钻入试验,它的这种性能和传统的自攻螺钉(渗碳钢工件)相同。
例2
自钻螺钉SUS305,用例1的方法对奥氏体不锈钢(六角头,4.8mmφ×25mm)进行氮化。此时,整个自钻螺钉形成氮化层,深度为55μm。除钉头和颈部一部分外(从钉头到颈部之下5mm),剩下的氮化螺钉部分浸入氯乙烯树脂液,螺钉覆盖了一层薄膜之后弄干。而后,把螺钉大部拧入厚度为30mm(图3)的聚苯乙烯树脂板。树脂板在强酸溶液(HNO3∶HCl=3∶1)倒放,使钉头朝下并浮于液面,5分钟后取出,然后在10%浓度HNO3液内(60℃)浮动10分钟。把自钻螺钉从聚苯乙烯树脂板取出,用水清洗并干燥。干燥的螺钉用传统方法镀Zn。这种螺钉对3.2mm厚的钢板进行自钻试验(SPCC)。平均钻入时间为3.1秒,和传统自钻入螺钉(渗碳钢制工件)相比,缩短了20%。盐雾试验的结果和例1相同。
例3
如图1所示的奥氏体不锈钢自钻螺钉(六角头,6.3mmφ×150mm),按例1方式进行氮化。这样处理的自钻螺钉全部表面覆以氮化硬层,厚度为75μm。除钉头和颈部一部分外(从钉头到颈部之下100mm),剩下的氮化螺钉部分浸入氯乙烯树脂液并弄干,再对螺钉表面覆上一层薄膜。而后,螺钉浸入强酸溶液(HNO3∶HCl=3∶1)5分钟(45℃),并在10%浓度HNO3)溶液内再浸洗5分钟(60℃),取出,用水清洗并干燥。进行盐雾试验,其结果和例1相同,钻入试验的结果也和例2相同。对这种奥氏体不锈钢自钻螺钉的断裂扭矩值进行了检验。该值要比整个表面不进行酸洗处理的均为氮化层的奥氏体不锈钢自钻螺钉之值低7%。为避免断裂扭矩值的减小,奥氏体不锈钢自钻螺钉的钉头和颈部直径事先被做成大些(约150μm)。将其氮化,而后酸洗,以清除钉头和颈部的氮化层。钉头和颈部的氮化层清除后,其直径相应减小,达到原先设计的尺寸要求。
从而,其断裂扭矩值和整个表面均覆以氮化层的奥氏体不锈钢自钻螺钉的相等,而整体部分直径又和原先设计的一样。
如上所述,根据本发明处理的奥氏体不锈钢螺钉,其钉头和颈部等规定部分的氮化层被清除,使奥氏体不锈钢基体在这部分露出。所述的钉头部分固定时暴露于外部并受酸雨水等的影响,颈部和从外面进入的雨水等相接触。被清除氮化层的部分保持了奥氏本不锈钢本身所具有的良好抗腐蚀性能。另一方面,在螺纹部分,其强度等因氮化而得到很大改善(氮化层),因此,表面硬度和强度将接近于碳钢的强度和硬度,能自攻和紧固。
在根据本发明的制作方法中,在奥氏体不锈钢螺钉氮化之前,先把螺钉置于氟或含氟气氛中,以便在表面形成氟化层。在这种情况下,对螺钉氮化,所形成的氮化层均匀和密集,并得到具有良好表面性能的硬化的奥氏体不锈钢螺钉。

Claims (4)

1.一种硬化的奥氏体不锈钢螺钉,其特征在于,除去螺钉的预定部分之外,在奥氏体螺钉表面设有氮化层。
2.一种制作硬化的奥氏体不锈钢螺钉的方法,包括在渗氮气氛中加热奥氏体不锈钢螺钉以在螺钉表面形成氮化层的步骤,以及清除奥氏体不锈钢螺钉所述预定部分氮化层的步骤。
3.如权利要求2所说的硬化的奥氏体不锈钢螺钉制作方法,其中奥氏体不锈钢螺钉置于氟或含氟气氛中以在表面形成氟化层,而后,氟化层在氮化气氛中加热,以便在不锈钢螺钉表面形成氮化层。
4.如权利要求2所说的硬化的奥氏体不锈钢螺钉制作方法,其中,利用强酸浸洗来清除部分氮化层。
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