CN105256271A - 一种铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺 - Google Patents

一种铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺，其特征是首先对铁基粉末冶金零件进行除油、酸性活化和烘干预处理；通过在室温下化学渗硫，使零件表面形成渗硫层，采用酸碱调节剂与缓蚀剂相结合的方式降低渗剂对孔隙的腐蚀，以便于生成性能稳定渗硫层；最后在真空条件下浸油处理，得到含油渗硫铁基粉末冶金零件，其在乏油工况下工作时能形成稳定的液-固协同润滑效应，显著提高粉末冶金零件的减摩抗咬合性能。本发明工艺简单可控，节约能源，适于工业化生产。

Description

一种铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺
技术领域
本发明涉及表面处理的化学渗硫技术,特别地涉及一种铁基粉末冶金零件表面室温化学渗硫工艺。
背景技术
铁基粉末冶金零件强度、硬度高，耐磨性好、价格便宜，已在汽车摩擦副和液压件领域得到广范应用。但在乏油润滑工况下，未处理的铁基粉末冶金零件表面易发生黏着磨损甚至咬合，极大限制了其使用性能和寿命。
传统的渗硫工艺含有氰化物等环境有害物质，工艺可控性差，难以生成稳定的渗硫层，在工业生产中逐渐被淘汰。目前常用渗硫工艺成功解决了有害环境问题，渗硫层稳定性得到提高，但也存在各种弊端。比如，气体渗硫法因气氛容易进入孔隙内部造成渗层变形大，稳定性较差；电解渗硫法和离子渗硫法工艺复杂、成本较高。相比较而言，液体渗硫法渗层稳定、工艺可控性好，且对设备要求不高，便于推广，但由于粉末冶金零件所特有的多孔结构，液体渗硫处理时渗剂中的酸、碱等腐蚀性溶液渗入孔隙后难以清除，由内向外腐蚀，易造成硫化层出现斑点、鼓泡或剥落。通常采用封闭孔隙如喷砂、抛丸、整形、浸渍石蜡或树脂等方法解决，渗层质量和稳定性有一定提高，但也不同程度的存在适用性差、渗剂污染、工艺复杂、成本较高等问题。专利201010003649.0对硫化材料表面氧化处理，生成一层致密Fe3O4，防腐性有一定提高，但仍不能从根本上解决孔隙中残留渗剂对材料的腐蚀，材料性能和使用寿命不高。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺，目的是通过渗硫预处理、渗硫处理和渗硫后处理，在铁基粉末冶金零件表层生成一层FeS固体润滑层，利用FeS固体润滑层在摩擦过程中持续分解转移和铁基粉末冶金零件特有的储油性能，形成稳定的液-固协同润滑效应，有效降低摩擦因数，提高乏油工况条件下的抗黏着抗咬合性能。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案实现：
本发明铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺的特点是按如下步骤进行：
步骤1：渗硫预处理：对于待处理零件采用丙酮擦拭，并经超声波清洗十分钟后除油；用质量分数为4％的稀盐酸作为活化剂室温下浸泡活化30秒，再用蒸馏水清洗，去除活化剂；随后经烘干去除零件表面的残留水分；
步骤2：渗硫处理：在室温下将预处理后的零件放入化学渗剂中进行渗硫，渗硫时间为15～45分钟；化学渗剂按体积比的配方为：
Na2SO3：55％～60％；Na2S2O3·5H2O：8％～10％；
C4H6O6：21％～23％；FeSO4·7H2O：10％；缓蚀剂：1％～2％；
化学渗剂的配液浓度分别为：
Na2SO3为：(78～829)g/L；Na2S2O3·5H2O为：(6～10)g/L；
C4H6O6为：(28～30)g/L；FeSO4·7H2O为：(9～12)g/L。
步骤3：渗硫后处理：将渗硫后的零件超声波清洗十分钟，并用80℃热风吹干；再进行真空浸渍32号机油，油温为100℃，真空气压值不大于8KPa，浸油时间为0.5小时。
本发明铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺的特点也在于：所述的缓蚀剂为若丁、乌洛托品、粗吡啶中的一种或几种任意组合。
本发明铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺的特点也在于：所制得的表面渗硫铁基粉末冶金零件的渗硫层厚度为4μm～9μm。
本发明原理是采用室温化学渗硫，渗硫处理可看成是一个微观腐蚀电池的过程。在活性的微阳极区，金属Fe失去电子而发生氧化溶解反应生产Fe2+，在活性的微阴极区，渗剂中的S2O3 2-分解生产S2-，随着金属表面附近的S2-和Fe2+不断的增多，发生成膜反应：
Fe2++S2-＝FeS
生成的FeS沉淀在铁基粉末冶金零件表面形成具有一定厚度的渗层。FeS具有密排六方多层孔状结构，具有低剪切强度,塑性流变能力强，且疏松易储存润滑介质，是一种减摩性能优异的固体润滑剂。
本发明的化学渗剂配方中，以Na2S2O3·5H2O起到稳定剂的作用，用于避免渗剂的过快分解，提高化学渗剂的稳定性；酒石酸C4H6O6是一种络合剂，可有效调节渗硫速度，控制渗层厚度，改善渗层性能；无水亚硫酸钠为白色结晶状粉末，易溶于水呈碱性，SO3 2-+H2O＝HSO3 -+OH-，与渗剂中的酸性H+发生反应，HSO3 -+H+＝SO2+H2O，OH-+H+＝H2O，用于调节渗剂的酸碱度呈弱酸性，减小渗剂腐蚀性；添加所述的缓蚀剂为若丁、乌洛托品、粗吡啶，更进一步减小渗剂对铁基粉末冶金零件孔隙的腐蚀。
与已有的技术相比，本发明的有益效果体现：
1、本发明通过在渗剂中添加亚硫酸钠作为渗剂酸碱度调节剂，用于调节渗剂的酸碱度呈弱酸性，PH约为6.5左右，减小渗剂对粉末冶金零件孔隙的腐蚀；通过添加若丁、乌洛托品、粗吡啶中的一种或其组合作为缓蚀剂，明显改善了多孔材料硫化处理时易腐蚀造成渗层剥落、使用寿命短的缺陷。
2、本发明利用生成的含硫固体润滑层和粉末冶金材料特有的储油性能，使铁基摩擦副在乏油工况下工作时能形成稳定的液-固协同润滑效应，有效降低摩擦因数，提高零件的耐磨性和抗黏着性。
3、本发明的室温化学渗硫工艺简单可控，在室温下即可生成性能稳定可靠的渗硫层，具有节约能源等特点，适于工业化生产。
附图说明
图1为本发明渗硫层的表面形貌SEM图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例所用铁基粉末冶金零件采用现有粉末冶金工艺制得，如活塞、齿轮、内外转子、配油盘等，零件的密度通常在(6.4-7.5)g/cm3。
本实施例铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺是按如下步骤进行：
步骤1：渗硫预处理：对于待处理零件采用丙酮擦拭，并经超声波清洗十分钟后除油；用质量分数为4％的稀盐酸作为活化剂室温下浸泡活化30秒，再用蒸馏水清洗，去除活化剂；随后经烘干去除零件表面的残留水分；
步骤2：渗硫处理：在室温下将预处理后的零件放入化学渗剂中进行渗硫，渗硫时间为15分钟；所述化学渗剂按体积比的配方为：
Na2SO3：59％，Na2S2O3·5H2O：8％，C4H6O6：21％，FeSO4·7H2O：10％，缓蚀剂2％。
化学渗剂的配液浓度分别为：
Na2SO3：300g/L，Na2S2O3·5H2O：10g/L，C4H6O6：30g/L，FeSO4·7H2O：10g/L。
步骤3：渗硫后处理：将渗硫后的零件超声波清洗十分钟，并用80℃热风吹干；再进行真空浸渍32号机油，油温为100℃，真空气压值不大于8KPa，浸油时间为0.5小时。
缓蚀剂为若丁，得到处理后的铁基粉末冶金零件渗硫层厚度为4μm。图1所示为本实施例渗硫层的表面形貌SEM图。
实施例2：
按照实施例1对铁基粉末冶金零件进行室温化学渗硫，其中不同之处在于：化学渗剂按体积比的配方为：
Na2SO3：55％，Na2S2O3·5H2O：10％，C4H6O6：23％，FeSO4·7H2O：10％；缓蚀剂2％。
化学渗剂的配液浓度分别为：
Na2SO3：78g/L，Na2S2O3·5H2O：6g/L，C4H6O6：28g/L，FeSO4·7H2O：9g/L。
缓蚀剂为乌洛托品，渗硫30分钟，得到铁基粉末冶金零件的渗硫层厚度为7μm。
实施例3：
按照实施例1对铁基粉末冶金零件进行室温化学渗硫，其中不同之处在于：
化学渗剂按体积比的配方为：
Na2SO3：60％，Na2S2O3·5H2O：8％，C4H6O6：21％，FeSO4·7H2O：10％，缓蚀剂1％。
化学渗剂的配液浓度分别为：
Na2SO3：829g/L，Na2S2O3·5H2O：6g/L，C4H6O6：29g/L，FeSO4·7H2O：12g/L。
缓蚀剂为粗吡啶，渗硫45分钟，得到铁基粉末冶金零件的渗硫层厚度为9μm。
实施例4
按照实施例1对铁基粉末冶金零件进行室温化学渗硫，其中不同之处在于：
化学渗剂按体积比的配方为：
Na2SO3：58％，Na2S2O3·5H2O：8％，C4H6O6：22％，FeSO4·7H2O：10％，缓蚀剂2％。
化学渗剂的配液浓度分别为：
Na2SO3：500g/L，Na2S2O3·5H2O：8g/L，C4H6O6：30g/L，FeSO4·7H2O：10g/L。
缓蚀剂为若丁、乌洛托品和粗吡啶的任意组合，渗硫45分钟，得到铁基粉末冶金零件的渗硫层厚度为9μm。
实施例5：
按照实施例4对铁基粉末冶金零件进行室温化学渗硫，其中不同之处在于：渗硫48分钟，得到铁基粉末冶金零件的渗硫层厚度为10μm。
关于渗硫层厚度与摩擦磨损性能的关系
渗硫层厚度与渗硫时间的关系为随渗硫时间延长，渗硫层厚度增加。摩擦磨损实验采用HDM-10型端面摩擦磨损试验机进行，转速设置为735r/min，线速度为1m/s，实验载荷为120kg，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油。通过摩擦磨损试验得到如下结果：
未采用渗硫处理，含油铁基粉末冶金零件试样在无油润滑工况下的摩擦系数为0.082，摩擦磨损实验进行约10分钟后摩擦系数突变剧增。
渗硫层厚度为4μm，含油渗硫铁基粉末冶金零件试样在无油润滑工况下的摩擦系数为0.048，摩擦磨损实验进行约24分钟后，摩擦系数突变剧增。
渗硫层厚度为7μm，含油渗硫铁基粉末冶金零件试样在无油润滑工况下的摩擦系数为0.044，摩擦磨损实验进行约31分钟后，摩擦系数突变剧增。
渗硫层厚度为9μm，含油渗硫铁基粉末冶金零件试样无油润滑工况下的摩擦系数为0.042，摩擦磨损实验进行约36分钟后，摩擦系数突变剧增。
渗硫层厚度为10μm，含油渗硫铁基粉末冶金零件试样无油润滑工况下的摩擦系数为0.04，摩擦磨损实验进行约26分钟后，摩擦系数突变剧增。
由以上试样结果可知：未采用渗硫处理，含油铁基粉末冶金零件试样的摩擦系数比较大，摩擦磨损实验进行时间也很短；当渗硫层厚度增大到10μm，含油渗硫铁基粉末冶金零件试样的摩擦系数没有变化，但其摩擦磨损实验进行时间明显缩短，即耐磨性和抗黏着性下降。
本发明在铁基粉末冶金零件表面进行室温化学渗硫，在乏油润滑工况下，粉末冶金零件孔隙中贮存的润滑油析出到摩擦副表面，与含硫固体润滑层起到液-固协同润滑作用，从而明显提高铁基粉末冶金材料的减摩抗咬合性能和耐磨性能。当然，根据实际需要，本发明所述详细制备工艺在上述范围还可以包含更多的实施例，本发明并不限于上述具体的实施例。

Claims (3)

1.一种铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺，其特征是按如下步骤进行：
步骤1：渗硫预处理：对于待处理零件采用丙酮擦拭，并经超声波清洗十分钟后除油；用质量分数为4％的稀盐酸作为活化剂室温下浸泡活化30秒，再用蒸馏水清洗，去除活化剂；随后经烘干去除零件表面的残留水分；
步骤2：渗硫处理：在室温下将预处理后的零件放入化学渗剂中进行渗硫，渗硫时间为15～45分钟；所述化学渗剂按体积比的配方为：
Na2SO3：55％～60％；Na2S2O3·5H2O：8％～10％；
C4H6O6：21％～23％；FeSO4·7H2O：10％；缓蚀剂：1％～2％；
所述化学渗剂的配液浓度分别为：
Na2SO3为：(78～829)g/L；Na2S2O3·5H2O为：(6～10)g/L；
C4H6O6为：(28～30)g/L；FeSO4·7H2O为：(9～12)g/L；
步骤3：渗硫后处理：将渗硫后的零件超声波清洗十分钟，并用80℃热风吹干；再进行真空浸渍32号机油，油温为100℃，真空气压值不大于8KPa，浸油时间为0.5小时。
2.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺，其特征在于所述的缓蚀剂为若丁、乌洛托品、粗吡啶中的一种或几种任意组合。
3.根据权利要求1或2所述的铁基粉末冶金零件表面渗硫工艺，其特征是所制得的表面渗硫铁基粉末冶金零件的渗硫层厚度为4μm～9μm。
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