CN106191761A - 低温盐浴碳氮共渗剂及其在活塞杆表面处理中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温盐浴碳氮共渗剂及其在活塞杆表面处理中的应用，属于活塞杆领域，本发明的碳氮共渗剂处理温度低，温度为450‑500℃，时间短，为40‑60min，疏松层浅，疏松层厚度≤5μm，同时能大幅度提高工件的硬度。本发明的低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：尿素:35‑38％，硫脲：10‑12％，三聚氰胺：20‑24％，氢氧化钾:10‑12％，碳酸锂:10‑12％，碳酸钠：10‑14％，氟化钠:1％。本发明可用于活塞杆表面处理中。
Description
技术领域
本发明涉及活塞杆领域，尤其涉及一种低温盐浴碳氮共渗剂及其在活塞杆表面处理中的应用。
背景技术
现有的活塞杆表面热处理氮化工艺主要采用氮化的方法，可以分为气体软氮化、液体软氮化及固体软氮化及离子氮化，由于固体氮化存在生产效率低、耗能大、环境污染大，渗氮质量不稳定，难以形成批量生产等逐渐被人们所淘汰。
气体氮化应用也比较广泛，主要优点表面质量容易控制，操作简单，应用广泛，但是生产周期长，生产效率低，耐蚀性能差(中性盐雾试验达到96小时)，目前国内气体氮碳共渗的方法的致命弱点就是气体成分不能严格控制，因此渗层质量不够稳定，对于普通盐浴氮碳共渗耐蚀性高，中性盐雾试验达到144小时以上，而低温盐浴氮碳共渗中性盐雾试验达到200小时以上，这是其他热处理所不能达到的。
液体盐浴软氮化成为目前使用最多的处理方式，目前现有的活塞杆表面热处理氮化工艺使用中高温盐浴氮化(580-600℃)，这种传统氮化工艺会产生以下问题：其一，氮化盐浴温度高，而且氮化盐浴非常不稳定，老化比较快，处理的活塞杆容易在化合物外面形成大量的微孔区(疏松层)，造成活塞杆表面硬度低，抗蚀性和耐磨性差，其二，旧的氮化盐浴配方的原料含有氰化物，污染环境，损害工人的健康，不利于环保。另外，氮化后的活塞杆使用一段时间后表面会产生锈蚀、出现黄斑等问题，造成活塞杆的使用寿命减短。
发明内容
本发明的目的在于针对上述碳氮共渗剂的不足，提供一种低温盐浴碳氮共渗剂及其在活塞杆表面处理中的应用，本发明的碳氮共渗剂处理温度低(450-500℃)，时间短(40-60min)，疏松层浅(≤5μm)，同时能大幅度提高工件的硬度。
本发明一方面提供了一种低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35-38％
硫脲：10-12％
三聚氰胺：20-24％
氢氧化钾:10-12％
碳酸锂:10-12％
碳酸钠：10-14％
氟化钠:1％。
优选的，上述低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35％
硫脲：10％
三聚氰胺：20％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：14％
氟化钠:1％。
优选的，上述低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:36％
硫脲：12％
三聚氰胺：20％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:11％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
优选的，上述低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:38％
硫脲：10％
三聚氰胺：21％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
优选的，上述低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35％
硫脲：10％
三聚氰胺：24％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
本发明另一方面提供了上述低温盐浴碳氮共渗剂在活塞杆表面处理中的应用。
具体的表面处理步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内清洗后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中烘干；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有上述碳氮共渗剂的氮化炉中氮化；
氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行氧化；氧化过程中氧化池内的氧化剂变红时，向其中加入还原剂，使红色消失；
冷却浸泡：将氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡；
清洗、烘干、抛光。
优选的，初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在40-50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；更有选的，初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
优选的，漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在250-300℃的条件下加热10分钟；更优选的，漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在265℃的条件下加热10分钟；
优选的，烘干的活塞杆置于盛有氮化剂的氮化炉中氮化40-60分钟，氮化炉的温度保持在450-500℃；更优选的，烘干的活塞杆置于盛有氮化剂的氮化炉中氮化50分钟，氮化炉的温度保持在480℃；
优选的，氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化20-30分钟，氧化炉的温度保持在375-390℃；更优选的，氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化30分钟，氧化炉的温度保持在385℃；
优选的，氧化剂的组成成份如下：氢氧化钠：50％，氢氧化钾：20％，硝酸钠：30％，氧化过程中氧化池内的氧化剂变红时，向其中加入还原剂，使红色消失，还原剂为2-3％的木炭；
优选的，钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡60-80分钟，更有选的浸泡时间为80分钟。
本发明的有益效果为：本发明的碳氮共渗剂中化工原料容易购买、成本低廉，使用该碳氮共渗剂生产的活塞杆表面平滑、不漏气，耐腐蚀、耐磨性强，废品率低、使用寿命长。盐浴热处理将热处理与防腐蚀处理一次完成，处理温度低(480℃)，时间短(50min)，盐浴稳定，不宜挥发，能同时提高零件表面硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度，降低摩擦系数，变形小，无公害，同时降低了活塞杆的脆性，明显扩大了适应氮碳共渗的材料范围，即各种材质的处理均有良好的效果，具有优化加工工序，缩短生产周期，降低生产成本的优点。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一实施例提供了低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35-38％
硫脲：10-12％
三聚氰胺：20-24％
氢氧化钾:10-12％
碳酸锂:10-12％
碳酸钠：10-14％
氟化钠:1％。
具体的，上述组分中，尿素的含量可以为35％，36％，37％，38％；硫脲的含量可以为10％，11％，12％；三聚氰胺的含量可以为20％，21％，22％，23％，24％；氢氧化钾的含量可以为10％，11％，12％；碳酸锂的含量可以为10％、11％、12％；碳酸钠的含量可以为10％，11％，12％，13％，14％。
本发明的又一实施例提供了上述低温盐浴碳氮共渗剂在表面处理活塞杆中的应用，具体步骤包括：
S1清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在40-50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗。本步骤中，清洗以去除活塞杆表面的切削杂质
S2预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在250-300℃的条件下加热10分钟。
本步骤可以去除活塞杆表面的水分，并增加活塞杆的温度。
S3氮化：将烘干的活塞杆置于盛有上述低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化40-60分钟，氮化炉的温度保持在450-500℃。
本步骤中，几种化学物质在高温下发生化学反应：CO(NH2)2+Na2CO3→NaCNO+CO2+H20，生成含有氰酸根(CNO-)的物质,CNO-在高温下分解，反应产生活性高、渗入能力强的氮原子和碳原子，活性氮原子、碳原子在工件表面被吸收，形成固溶体或化合物，当工件表面的氮、碳浓度达到一定值后，氮、碳原子从表面的高浓度区向里层的低浓度区扩散。活塞杆浸入氮化盐浴中后，CNO-的分解产生的N、C原子在工件表面形成高的N势和C势，由于N原子半径仅为铁原子的一半，而C原子半径更小，所以N、C原子可以在铁的点阵间隙中进行扩散。
具体分解形式：
4CNO-→CO3 -2+2CN-+CO+2[N]
3Fe+[N]→Fe3N
4Fe+[N]→Fe4N
同时生成的CN-与氧结合后，又生成CNO-，CNO-分解产生的CO，进而分解出C原子渗入工件，形成碳化物或固溶体。
2CO→CO2+C
3Fe+C→Fe3C
活塞杆在盐浴复合热处理过程中，随着N、C元素的不断渗入，达到一定浓度后，形成了高硬度的致密层——化合物层(Fe2-3CN)。
S4钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化20-30分钟，氧化炉的温度保持在375-390℃；
本步骤氧化炉的温度保持在375-390℃，氧化时间可调整以保证氧化的效果。其中，氧化剂的组成成份如下：氢氧化钠：50％，氢氧化钾：20％，硝酸钠：30％。氧化过程中氧化池内的氧化剂变红时，向其中加入还原剂，使红色消失，还原剂是2-3％木炭，活塞杆氮化，进入氧化炉后，马上被氧化形成致密的Fe3O4氧化膜，
2Fe+O2→2FeO
4Fe+3O2→2Fe2O3
FeO+2Fe2O3→2Fe3O4
其中氧化盐浴中铁锈Fe2O3与还原剂木炭(主要成分C)，反应如下
Fe2O3+C→Fe+CO2↑
在大量处理工件，氧化盐浴会变红，由于盐浴中含有大量的Fe2O3。这时可以向氧化盐浴中加入2-3％还原剂木炭，使红色的Fe2O3还原成Fe或铁的化合物，沉淀在炉的底部，通过捞渣除去，使红色消失，这样就不会使热处理出来的活塞杆表面发红现象，同时也延长了氧化盐浴的使用寿命。
S5冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡60-80分钟。本步骤中用清水浸泡时间长，冷却效果好。
S6清洗、烘干、抛光。
上述低温盐浴碳氮共渗剂在表面处理活塞杆中的应用的优选实施例为：
S1清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
S2预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在265℃的条件下加热10分钟；
S3氮化：将烘干的活塞杆置于盛有上述低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化50分钟，氮化炉的温度保持在480℃；
S4钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化30分钟，氧化炉的温度保持在385℃；
S5冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡80分钟；
S6清洗、烘干、抛光。
相比于现有技术而言，使用该碳氮共渗剂生产的活塞杆表面平滑、不漏气，耐腐蚀、耐磨性强，废品率低、使用寿命长。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的低温盐浴碳氮共渗剂及其在活塞杆表面处理中的应用，以下将结合具体实施例进行说明。
实施例1
低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35％
硫脲：10％
三聚氰胺：20％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：14％
氟化钠:1％。
实施例2
低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:36％
硫脲：12％
三聚氰胺：20％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:11％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
实施例3
低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:38％
硫脲：10％
三聚氰胺：21％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
实施例4
低温盐浴碳氮共渗剂，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35％
硫脲：10％
三聚氰胺：24％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
实施例5
实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂在活塞杆表面处理中的应用，具体步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在45℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在275℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化55分钟，氮化炉的温度保持在475℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于含有上述钝化氧化剂的氧化炉中进行钝化氧化25分钟，氧化炉的温度保持在385℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡70分钟；
清洗、烘干、抛光。
实施例6
实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂在活塞杆表面处理中的应用，具体步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在40℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在250℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化40分钟，氮化炉的温度保持在450℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于含有上述钝化氧化剂的氧化炉中进行钝化氧化20分钟，氧化炉的温度保持在375℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡60分钟；
清洗、烘干、抛光。
实施例7
实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂在活塞杆表面处理中的应用，具体步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在300℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化60分钟，氮化炉的温度保持在500℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于含有上述钝化氧化剂的氧化炉中进行钝化氧化30分钟，氧化炉的温度保持在390℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡80分钟；
清洗、烘干、抛光。
实施例8
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在265℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有实施例1所述的低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化50分钟，氮化炉的温度保持在480℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化30分钟，氧化炉的温度保持在385℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡80分钟；
清洗、烘干、抛光。
对比例
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在265℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有碳氮共渗剂的氮化炉中氮化50分钟，
氮化炉的温度保持在480℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化30分钟，氧化炉的温度保持在385℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡80分钟；
清洗、烘干、抛光。
其中，碳氮共渗剂组分含量:尿素：40％、碳酸钾：25％、碳酸钡：10％、碳酸钠20％、碳酸锂：5％、
性能测试
实施例8和对比例的性能测试数据如下表1和表2。
表1：实施例8试验数据
表2：对比例试验数据
从表1和表2可以看出，利用本发明的低温盐浴碳氮共渗剂进行盐浴热处理将热处理与防腐蚀处理一次完成，处理温度低(480℃)，时间短(50min)，盐浴稳定，不宜挥发，能同时提高零件表面硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度，降低摩擦系数，变形小，无公害，同时降低了活塞杆的脆性，明显扩大了适应氮碳共渗的材料范围。
Claims (10)
1.一种低温盐浴碳氮共渗剂，其特征在于，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35-38％
硫脲：10-12％
三聚氰胺：20-24％
氢氧化钾:10-12％
碳酸锂:10-12％
碳酸钠：10-14％
氟化钠:1％。
2.根据权利要求1所述的低温盐浴碳氮共渗剂，其特征在于，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35％
硫脲：10％
三聚氰胺：20％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：14％
氟化钠:1％。
3.根据权利要求1所述的低温盐浴碳氮共渗剂，其特征在于，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:36％
硫脲：12％
三聚氰胺：20％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:11％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
4.根据权利要求1所述的低温盐浴碳氮共渗剂，其特征在于，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:38％
硫脲：10％
三聚氰胺：21％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
5.根据权利要求1所述的低温盐浴碳氮共渗剂，其特征在于，组分及含量(重量百分数)如下：
尿素:35％
硫脲：10％
三聚氰胺：24％
氢氧化钾:10％
碳酸锂:10％
碳酸钠：10％
氟化钠:1％。
6.权利要求1-5任一项所述的低温盐浴碳氮共渗剂在活塞杆表面处理中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，具体的表面处理步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内清洗后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中烘干；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有上述碳氮共渗剂的氮化炉中氮化；
氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行氧化；氧化过程中氧化池内的氧化剂变红时，向其中加入还原剂，使红色消失；
冷却浸泡：将氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡；
清洗、烘干、抛光。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，具体的表面处理步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在40-50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在250-300℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有上述低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化40-60分钟，氮化炉的温度保持在450-500℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化20-30分钟，氧化炉的温度保持在375-390℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡60-80分钟；
清洗、烘干、抛光。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，具体的表面处理步骤包括：
清洗：将初加工完成的活塞杆放入超声波清洗机内在50℃的条件下清洗10分钟后用清水漂洗；
预热烘干：将漂洗完毕的活塞杆置于烘干炉中在265℃的条件下加热10分钟；
氮化：将烘干的活塞杆置于盛有上述低温盐浴碳氮共渗剂的氮化炉中氮化50分钟，氮化炉的温度保持在480℃；
钝化氧化：将氮化完成的活塞杆置于氧化炉中进行钝化氧化30分钟，氧化炉的温度保持在385℃；
冷却浸泡：将钝化氧化完毕的活塞杆置于清水中冷却，用清水浸泡80分钟；
清洗、烘干、抛光。
10.根据权利要求7-9任一项所述的应用，其特征在于，钝化氧化过程氧化炉内含有氧化剂，氧化剂的组成成份如下：氢氧化钠：50％，氢氧化钾：20％，硝酸钠：30％，氧化过程中氧化池内的氧化剂变红时，向其中加入还原剂，使红色消失，还原剂为2-3％的木炭。
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