CN104911533B - 一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品 - Google Patents

Abstract

一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品，通过将金属工件放置于配置好的电解液中，采用普通电沉积装置对金属工件表面脉冲或交流电处理，在电场的作用下，使金属工件表面形成含有Ni²⁺、Cr³⁺的微纳结构层，工件表面晶粒细化，激活能增加，引入的Ni²⁺、Cr³⁺也能促进氮化的进行，保证实现其低温氮化，同时引入的Ni²⁺、Cr³⁺提升了金属工件耐蚀性能。本发明提供的方法不依靠致密的氮化物层(白亮层)，解决了其脆性带来的危害术，提高了金属工件的耐蚀性能。综上所述，本发明提供的方法提供的电沉积预处理不会使金属工件变形，同时能有效降低氮化温度，缩短渗氮周期间，适合形状复杂及精密零件，节约能源。

Description

一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品

【技术领域】

本发明属于化学领域，涉及一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品。

【背景技术】

气体渗氮技术因其设备简单，工艺技术易于操作掌握，在工业领域被广泛应用。按照氮化工件性能要求，气体氮化可分为强化氮化和耐蚀氮化，目前研究的重点都在强化氮化工艺，主要是解决气体氮化温度比较高、处理时间长等缺陷。而氮化的耐蚀性能主要体现在氮化形成的致密的氮化物层(白亮层)，但是白亮层的脆性限制了其应用范围。

现有公开技术主要是钢铁工件的低温气体渗氮技术和低温等离子氮化技术。通过超声喷丸、高能喷丸、表面机械研磨处理，工件表面产生强烈的塑性变形，使其表面晶粒纳米化，利用纳米结构的奇异特性促使实现低温氮化。这些低温氮化技术提升了氮化速度降低了氮化温度，但是对耐蚀性却没有很好的改善，而且因工件形状的问题，这些氮化技术受到很多限制。例如申请号为201210241490.5的专利提供一种将催化剂预置到洁净的工件表面上，然后在含氮气氛中氮化，该方法可以显著降低气体渗氮的温度，并且使用氮气进行低温渗氮时不产生对环境和健康有害的含氨废气。申请号为201010173530.8的专利利用可调双向脉冲电源在合金铸铁表面形成催化膜，适用于合金铸铁缸套低温表面催渗氮。上述专利通过预处理使工件表面活化或者改变渗氮气氛，促进氮化过程，使其在较低温度下实现氮化效果，但是其耐蚀机理仍是形成致密的氮化物层，没有解决其脆性带来的危害以及应用缺陷。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提供一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品，对金属工件进行低温耐蚀氮化，通过在金属工件表面原位以及外加复合形成类似不锈钢纳米结构活化层，促使低温气体渗氮发生的同时，明显提升耐蚀性，主要是不依靠致密氮化物层起耐蚀作用，避免其脆性的不利影响。

本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品，包括以下步骤：

S1配制电解液；

S2将金属工件放入步骤S1配制的电解液中进行电沉积预处理；

S3将电沉积预处理后的金属工件进行清洗、干燥处理；

S4对清洗后的金属工件进行气体氮化处理。

特别的，所述电解液的原料及含量如下：

所述电解液中各原料的含量根据待处理金属工件表面所含Ni2+、Cr3+的质量比确定，在电解液配置好后，电磁搅拌10min，便于原料充分溶解。

特别的，所述电解液的pH值不大于3。

特别的，所述步骤S2具体按照以下方案实施：

S21：将需处理的金属工件采打磨后，用水进行清洗，之后放于丙酮、浓度为5～10％的HCl溶液除锈除脂，之后采用蒸馏水、酒精冲洗干燥；

S22：采用电解法对步骤S21处理后的金属工件进行电沉积预处理，以金属工件为阴极、相同材料的金属工件或惰性电极为阳极放入步骤S1配制的电解液中，加载双向可调交流或脉冲电源，由于通电时间将会影响金属工件表面纳米结构活化层的形成，若低于30分钟，金属工件表面处理不均匀、活化处理深度不够，若高于45分钟后金属工件活化层深度增加不明显，因此通电时间为30～45分钟，使金属工件表面原位以及外加复合形成含Cr量高的类似不锈钢纳米结构活化层，取出金属工件。

特别的，所述双向可调交流或脉冲电源均为频率可调电源，电源的平均电流密度会影响电沉积预处理的进行，若平均电流密度低于10A/dm²，则处理效率低，处理时间长，若平均电流密度高于25A/dm²，电流密度过大，金属工件表面容易出现过烧现象，因此平均电流密度为10～25A/dm²。

特别的，所述步骤S3具体按照以下方案实施：

将步骤S2处理后的金属工件在去离子水中超声清洗2～4分钟后，放入丙酮中除脂干燥。

特别的，经过步骤S2电沉积预处理后的活化金属工件表面产生纳米结构层，纳米结构及额外的活化能促使氮化温度降低，在300℃的低温下既可以实现氮化，并能加快氮化速度，然而氮化温度若低于300℃将不能实现氮化，若氮化温度高于500℃的，则失去了预处理降低氮化温度，节约能源的目的，因此经过步骤S2处理后的金属工件经步骤S3清洗干燥后，采用如下步骤S4处理即可得到高耐腐蚀性的金属工件，所述步骤S4具体按照以下方案实施：

将步骤S3处理后的金属工件放如氮化炉中，氮化炉在升温前需先送氨气进行炉内排气，排气10分钟后，开始升温，将氮化炉上的控温仪表设定为300～450℃，边排气边加热，当炉温升到设定温度时，氨气流量为80～200ml/min，氨分解率为25～40％，保温6～9小时后，切断电源停止加热，保持氨气通入，待温度降到150℃以下时停止供气，取出即得到高耐蚀性的金属工件。

相较于现有技术，本发明提供的一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品，采用普通电沉积装置对金属工件表面脉冲或交流电处理，在电场的作用下，金属工件表面形成含有Ni²⁺、Cr³⁺的微纳结构层，工件表面晶粒细化，激活能增加，引入的Ni²⁺、Cr³⁺也能促进氮化的进行，保证实现其低温氮化，同时引入的Ni²⁺、Cr³⁺提升了金属工件耐蚀性能。本发明提供的方法不依靠致密的氮化物层(白亮层)，解决了其脆性带来的危害术，提高了金属工件的耐蚀性能。综上所述，本发明提供的方法提供的电沉积预处理不会使金属工件变形，同时能有效降低氮化温度，缩短渗氮周期间，适合形状复杂及精密零件，节约能源。

【具体实施方式】

本发明提供一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法及其产品，通过将待处理金属工件放于丙酮、浓度为5～10％的HCl溶液进行除锈除脂处理后，采用蒸馏水、酒精冲洗干燥；之后置于含有一定摩尔比例Ni²⁺、Cr³⁺的电解液中，通入电流密度10～25A/dm²的双脉冲或者对称交流电，预处理30～45min；之后对预处理试样在去离子水中进行超声清洗2～4分钟后，再用酒精或丙酮冲洗，干燥；之后置于气体氮化炉中，进行气体氮化处理。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进一步详细说明。

实施例一：

该实施例中的金属工件为工业纯铁，300℃×9H低温耐蚀氮化。该工业纯铁化学成分(质量分数，％)为：C≤0.003，P≤0.01，S≤0.006，Si≤0.01，Mn≤0.10。

将工业纯铁用线切割将试样加工成15×10×5mm的块状试样，1033K下退火2小时，然后用金相砂纸将试样表面从粗到细磨平。之后将其放入电解液中进行电沉积预处理，所述电沉积预处理采用双向可调交流电源，以纯铁试样作为阴极，惰性电极作为阳极，所述电沉积预处理预参数如下表1。

表1 双向可调交流电源电沉积预处理参数

将经过电沉积预处理后的纯铁试样在去离子水中超声清洗2分钟后，放入丙酮中除脂干燥，得到表面原位以及外加复合形成含Cr量高的类似不锈钢纳米结构活化层的纯铁试样；之后将带不锈钢成分纳米结构预活化层的纯铁试样放入氮化炉中，升温前应先送氨气排气，排气10分钟后，开始升温，将控温仪表设定300℃，边排气边加热，当炉温升到设定温度时，氨气流量在100～200ml/min，氨分解率20～30％，保温9小时，切断电源停止加热，期间保持氨气通入，待温度降到150℃时可停止供气出炉，到高耐蚀性的纯铁。

实施例二：

该实施例中的金属工件为45号钢，400℃×6H低温耐蚀氮化，该45号钢化学成分(质量分数，％)为：C 0.46，Si 0.25，Mn 0.68％，P≤0.04，S≤0.04，Cr≤0.25，Ni≤0.2，经过调质处理(1123K淬火，873K回火)，用线切割将45号钢加工成10×8×5mm块状试样，1033K下退火2小时，以此用0#、2#、4#、6#金相砂纸打磨磨平。采用自来水冲洗，然后用丙酮、浓度为5％的HCl除脂除锈，处理后用蒸馏水、酒精冲洗干燥。之后将45号钢试样放入电解液中进行电沉积预处理，所述电沉积预处理采用双向可调交流电源，以45号钢试样作为阴极，惰性电极作为阳极，所述电沉积预处理预参数如下表2。

表2 双向可调交流电源电沉积预处理参数

将经过电沉积预处理后的45号钢试样在去离子水中超声波清洗4分钟后，采用丙酮除脂干燥，得到表面原位以及外加复合形成含Cr量高的类似不锈钢纳米结构活化层的45号钢试样；之后将带不锈钢成分纳米结构预活化层的45号钢试样放入氮化炉中，升温前应先送氨气排气，排气10分钟后，开始升温，将控温仪表设定450℃，边排气边加热，当炉温升到设定温度时，氨气流量在80～160ml/min，氨分解率25～35％，保温6小时，切断电源停止加热，期间保持氨气通入，待温度降到100℃时可停止供气出炉，到高耐蚀性的45号钢。

实施例三：

该实施例中的金属工件为38CrMoAl钢，450℃×6H低温耐蚀氮化。该38CrMoAl钢的化学成分(质量分数，％)如下表3。

表3 38CrMoAl钢的化学成分(质量分数，％)

牌号

C

Si

Mn

Cr

Mo

Al

38CrMoAl

0.35～0.42

0.20～0.45

0.30～0.60

1.35～1.65

0.15～0.25

0.70～1.10

将38CrMoAl钢试样经过调质处理后，用线切割将试样加工成10×8×5mm块状试样，1033K下退火2小时，以此用0#、2#、4#、6#金相砂纸打磨磨平。用自来水冲洗，然后用丙酮、浓度为10％HCl除脂除锈，处理后用蒸馏水、酒精冲洗干燥。之后将38CrMoAl钢试样放入电解液中进行电沉积预处理，所述电沉积预处理采用双向可调脉冲电源，以38CrMoAl钢试样作为阴极，38CrMoAl试样或惰性电极作为阳极，所述电沉积预处理预参数如下表4。

表4 双向可调脉冲电源电沉积预处理参数

将经过电沉积预处理后的38CrMoAl钢试样在去离子水中超声清洗3分钟后，采用丙酮除脂干燥，得到表面原位以及外加复合形成含Cr量高的类似不锈钢纳米结构活化层的38CrMoAl钢试样；之后将带不锈钢成分纳米结构预活化层的38CrMoAl钢放入氮化炉中，升温前应先送氨气排气，排气10分钟后，开始升温，将控温仪表设定400℃，边排气边加热，当炉温升到设定温度时，氨气流量在100～200ml/min，氨分解率25～40％，保温8小时，切断电源停止加热，期间保持氨气通入，待温度降到150℃时可停止供气出炉，到高耐蚀性的38CrMoAl钢。

应当理解的是，于本领域的技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1配制电解液；

电解液的原料及含量如下：

S2将金属工件放入步骤S1配制的电解液中进行电沉积预处理；

S3将电沉积预处理后的金属工件进行清洗、干燥处理；

S4对清洗后的金属工件进行气体氮化处理。

2.根据权利要求1所述的一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法，其特征在于，所述电解液的pH值不大于3。

3.根据权利要求1所述的一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法，其特征在于，所述步骤S2具体按照以下方案实施：

S21：将需处理的金属工件打磨后，用水进行清洗，之后放于丙酮、浓度为5～10％的HCl溶液除锈除脂，之后采用蒸馏水、酒精冲洗干燥；

S22：采用电解法对步骤S21处理后的金属工件进行电沉积预处理，以金属工件为阴极、相同材料的金属工件或惰性电极为阳极放入步骤S1配制的电解液中，加载双向可调交流或脉冲电源30～45分钟，使金属工件表面原位以及外加复合形成含Cr量高的类似不锈钢纳米结构活化层，取出金属工件。

4.根据权利要求3所述的一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法，其特征在于，所述双向可调交流或脉冲电源均为频率可调电源，平均电流密度为10～25A/dm²。

5.根据权利要求3所述的一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法，其特征在于，所述步骤S3具体按照以下方案实施：

将步骤S2处理后的金属工件在去离子水中超声清洗2～4分钟后，放入丙酮中除脂干燥。

6.根据权利要求1所述的一种金属工件低温耐蚀气体渗氮方法，其特征在于，所述步骤S4具体按照以下方案实施：

将步骤S3处理后的金属工件放如氮化炉中，氮化炉在升温前需先送氨气进行炉内排气，排气10分钟后，开始升温，将氮化炉上的控温仪表设定为300～450℃，边排气边加热，当炉温升到设定温度时，氨气流量为80～200ml/min，氨分解率为25～40％，保温6～9小时后，切断电源停止加热，保持氨气通入，待温度降到150℃以下时停止供气，取出即得到高耐蚀性的金属工件。

7.一种根据权利要求1～6任一所述方法制备得到的高耐蚀性的金属工件。