CN115233150A - Q235与9Cr18Mo的稀土碳氮共渗复合盐的配方及其QPQ气体碳氮共渗盐浴工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Q235与8Cr19Mo用于表面碳氮共渗处理的盐浴剂及其气体碳氮共渗工艺。本发明提供的用于Q235与8Cr19Mo稀土碳氮共渗复合盐，复合盐包括碳氮共渗剂、稀土催渗剂。其中碳氮共渗剂包括以下质量分数的组分：氯化铵7％～10％，氰酸钠25％～35％，木炭粉5％～10％，氰酸钾10％～15％，碳酸钠12％～20％，氯化钾12％～15％，亚硫酸钠3％～4％，磷酸钾2％～5％占总碳氮共渗复合盐的95％。稀土催渗剂占总碳氮共渗复合盐的5％，其中稀土催渗剂包括碳酸钇2％～3％，碳酸镧2％～3％。本发明提供的用于钢件表面处理的盐浴碳氮共渗剂与其碳氮共渗工艺能生成保护基体的致密化合物层和疏松氧化层可有效提高钢件的显微硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性。

Description

Q235与9Cr18Mo的稀土碳氮共渗复合盐的配方及其QPQ气体碳 氮共渗盐浴工艺
技术领域
本发明属于钢铁表面化学热处理加工技术领域，涉及一种利用稀土碳氮共渗的盐浴技术配方及其QPQ气体碳氮盐浴工艺。
背景技术
金属零件工作环境恶劣，长期在高负荷、易腐蚀的环境中工作，导致零件表面材料的损耗和流失，引起几何尺寸的改变、使用性能的破坏，进而降低了其使用寿命，不能完成正常的工作。零件的大多数失效是由于环境所造成的磨损、腐蚀等。现代工业的机械产品对各种零部件表面的性能有着越来越高的要求，特别是要求机械零部件能在高速、高温、高压、重载、严重摩擦及腐蚀介质等苛刻的工作环境下可靠而持续地工作。
人们致力于研究表面处理技术，传统的表面处理技术有抛光、喷涂、酸洗、电镀等，这些技术虽然能提升表面性能但提升性能有限且处理金额昂贵污染大。
QPQ技术是近年来新兴的一种表面热处理技术,它是Quench～Polish～Quench的缩写,它是将黑色金属零件放入两种性质不同的盐浴中,通过多种元素渗入金属表面形成致密化合物层和疏松氧化层，QPQ技术能在很大程度上提高金属材料表面的耐磨性、抗蚀性和显微硬度等性能。
在盐浴碳氮共渗中加入稀土能起到催渗作用，加快共渗速度与渗层厚度。稀土是活泼金属，具有非常强的还原能力，活性仅次于碱金属和碱土金属，比铝、锌等元素强。
Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛；9Cr18Mo常用作不锈切片机械刃具及剪切刀具、手术刀片、高耐磨设备零件，适用于对耐蚀性要求高的餐具(刀)、涡轮机叶片刀刃等。
发明内容
本发明的目的在于提供Q235与9Cr18Mo的一种稀土碳氮共渗剂的配方与工艺使其达到最佳碳氮共渗的效果，并克服现有技术缺陷。
本发明结合现有盐浴碳氮共渗技术与气体氮化方式开发一种全新稀土碳氮共渗新模式，解决常规盐浴碳氮共渗渗速慢，易出现氮化缺陷的问题，也解决了气体氮化过程中，氮化周期比较长，氮化温度较高，最终导致氮化效率比较低。并且经该工艺处理后各项性能相较于常规渗氮处理方式有所提高。
一种Q235与9Cr18Mo的稀土碳氮共渗复合盐的配方，由碳氮共渗剂和稀土催渗剂构成；所述碳氮共渗剂包括以下质量分数的组分：氯化铵7％～10％，氰酸钠25％～35％，木炭粉5％～10％，氰酸钾10％～15％，碳酸钠12％～20％，氯化钾12％～15％，亚硫酸钠3％～4％，磷酸钾2％～5％；所述稀土催渗剂包括以下质量分数的组分：碳酸钇2％～3％，碳酸镧2％～3％。
本发明还提供一种用于Q235与9Cr18Mo的QPQ碳氮共渗工艺，包括以下步骤：
用180、400、800、1500目砂纸依次对钢件待处理面进行打磨；
在金属抛光机上用粒度1μm的金属抛光剂对金属进行抛光处理并用无水乙醇去除污渍、油污等；
将抛光处理后的钢件放入真空干燥箱干燥，其温度为50～70℃干燥的时间为5min；
对干燥后的钢件以5～7℃/min的升温速率进行预热，预热温度为250℃～340℃；
将预热后的钢件放入带盖已装好共渗剂与催渗剂的氧化铝坩埚中，并放入管式炉进行盐浴碳氮共渗，其温度为550℃～640℃；碳氮共渗时间为2～3小时，管式炉所通气体为氮氨混合气体，其流量为1.2～1.5m3/h所述盐浴碳氮共渗处理中所用盐浴碳氮共渗剂选自权利要求2或3所述的其中一种碳氮共渗配方。
共渗剂中主要是由氰酸钠，氯化铵提供活性氮原子，木炭粉提供活性碳原子。
加入3％～5％的稀土能够提高氮碳共渗速度约30％，并且渗层的厚度、致密性、显微硬度以及组织结构都发生了明显改观，耐磨性增强。
碳酸锂能够显著延缓[CNO-]的分解速率，从而显著降低盐浴中形成的[CN-]，氯化钾为盐浴提供K+与中性环境。S元素的减磨作用能提升耐磨性。
所述通入气体为40％氮气、40％氨气和20％二氧化碳混合气体，通入混合气体的目的是维持炉内氮势。
氯酸钾、硝酸钾、氯化钠与氯化锶作为主要氧化剂在400℃～430℃条件下氧化，若追求最佳耐磨性则氧化时间为60min；若追求最佳耐蚀性则氧化时间为40min；若追求最佳显微硬度则氧化时间为20min。
稀土含量多少与实际效果追求渗层厚度、共渗速率、显微硬度有关，稀土含量过多会抑制渗透速率降低显微硬度等。
本QPQ气体碳氮共渗盐浴工艺适用于为Q235、42CrMo和9Cr18Mo等钢。
测试方法按照实施例1或2，经测试，本实施例处理后的钢件表面显微硬度Q235提升至500Hv0.2以上9CR18m提升至1200Hv0.2以上，耐蚀性能提高一个数量级，耐磨性能是未处理的钢件2倍。
木炭粉为经过研磨处理后呈粉状。
所述容器为氧化铝坩埚其规格为圆底半径为4cm高为8cm的圆柱体带盖罐体。
附图说明
图1为本发明具体实施方案1用于Q235的稀土碳氮共渗的SEM图。
图2为本发明具体实施方案2用于8Cr19Mo的稀土碳氮共渗的SEM图。
具体实施例
实施例1
本实施例提供用于Q235的稀土碳氮共渗，包括如下步骤：
将Q235放入4％硝酸溶液中去除氧化铁皮，并使用180、400、800、1500目砂纸打其磨抛光，选用粒度为2微米的抛光剂；
将抛光后的Q235放入无水乙醇中浸泡，然后放入60℃真空干燥箱干燥5分钟；
将Q235取出放入井式坩埚炉中预热1小时，升温速度为6℃/min，升至360℃；
将预热后的Q235放入氧化铝坩埚中，并将该坩埚放入管式炉中进行盐浴碳氮共渗，其温度为565℃，共渗时间为2小时，管式炉所通气体为氮氨二氧化碳混合气体，其流量为1.2m3/h；
上述通入气体为40％氮气、40％氨气和20％二氧化碳混合气体其比例为N2：NH3：CO2＝2：2：1；
氧化铝坩埚里碳氮共渗剂为以下质量分数的组分：氯化铵10％，氰酸钠25％，木炭粉10％，氰酸钾10％，碳酸钠20％，氯化钾12％，亚硫酸钠3％，磷酸钾5％，其中稀土催渗剂包括以下质量分数的组分：碳酸钇2％，碳酸镧3％；
得到碳氮共渗处理后的Q235油冷后抛光处理，选用粒度为1微米的抛光剂；并放入管式炉进行氧化；
氧化剂为40％氯酸钾，30％硝酸钠，20％氯化钠，10％氯化锶混合盐，氧化温度为400℃，氧化时间为0.5小时并通入氧气，氧气流量为1.5m3/h。
实施例2
本实施例提供用于9Cr18Mo的稀土碳氮共渗，包括如下步骤：
将9Cr18Mo使用不同规格的砂纸进行打磨抛光；
将抛光后的9Cr18Mo放入无水乙醇中浸泡，然后放入70℃真空干燥箱干燥5分钟；
将9Cr18Mo取出放入井式坩埚炉中预热1小时，升温速度为6℃/min，升至360℃；
将预热后的9Cr18Mo放入氧化铝坩埚中，并将该坩埚放入管式炉中进行盐浴碳氮共渗，其温度为580℃，共渗时间为2小时，管式炉所通气体为氮氨混合气体，其流量为1.2m3/h；
氧化铝坩埚里碳氮共渗剂为以下质量分数的组分：氯化铵7％，氰酸钠35％，木炭粉5％，氰酸钾15％，碳酸钠12％，氯化钾15％，亚硫酸钠4％，磷酸钾2％，其中稀土催渗剂包括以下质量分数的组分：碳酸钇3％，碳酸镧2％。
得到碳氮共渗处理后的8Cr19Mo水冷后抛光处理，选用粒度为1.5微米的抛光剂，并放入管式炉进行氧化；
氧化剂为40％氯酸钾，30％硝酸钠，20％氯化钠，10％氯化锶混合盐，氧化温度为400℃，氧化时间为0.5小时并通入氧气，氧气流量为1.5m3/h。
上述实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (4)

1.一种Q235与9Cr18Mo的稀土碳氮共渗复合盐的配方，其特征在于，由碳氮共渗剂和稀土催渗剂构成；
所述碳氮共渗剂包括以下质量分数的组分：
氯化铵7％～10％，氰酸钠25％～35％，木炭粉5％～10％，氰酸钾10％～15％，碳酸钠12％～20％，氯化钾12％～15％，亚硫酸钠3％～4％，磷酸钾2％～5％；
所述稀土催渗剂包括以下质量分数的组分：
碳酸钇2％～3％，碳酸镧2％～3％。
2.如权利要求1所述的一种Q235与9Cr18Mo的稀土碳氮共渗复合盐的配方，其特征在于，所述碳氮共渗剂包括以下质量分数的组分：
氯化铵10％，氰酸钠25％，木炭粉10％，氰酸钾10％，碳酸钠20％，氯化钾12％，亚硫酸钠3％，磷酸钾5％；
所述稀土催渗剂包括以下质量分数的组分：碳酸钇2％，碳酸镧3％。
3.如权利要求1所述的一种Q235与9Cr18Mo的稀土碳氮共渗复合盐的配方，其特征在于，所述碳氮共渗剂包括以下质量分数的组分：
氯化铵7％，氰酸钠35％，木炭粉5％，氰酸钾15％，碳酸钠12％，氯化钾15％，亚硫酸钠4％，磷酸钾2％；
所述稀土催渗剂包括以下质量分数的组分：
碳酸钇3％，碳酸镧2％。
4.一种用于Q235与9Cr18Mo的QPQ碳氮共渗工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用180、400、800、1500目砂纸依次对钢件进行打磨得到打磨后的钢件，然后用粒径为1-2微米的抛光剂抛光后用无水乙醇去除污渍、残留抛光剂；
(2)将处理后钢件放入50℃～70℃真空干燥箱中；
(3)对清洗后的钢件以7℃/min的升温速率进行预热，预热温度为250℃～340℃，预热过程中通入保护气防止提前氧化；
(4)将预热后的钢件放入氧化铝坩埚中并将该坩埚放入管式炉中进行盐浴碳氮共渗，其温度为550℃～640℃；共渗时间为2～3小时，管式炉所通气体为氮气、氨气和二氧化碳混合气体，其流量为1.2～1.5m3/h得到盐浴碳氮共渗处理后的钢件；盐浴碳氮共渗处理中所用盐浴碳氮共渗剂及稀土催渗剂选自权利要求1-3中任意一项所述的稀土碳氮共渗复合盐的配方；
(5)碳氮共渗处理后的工件进行油冷并用粒径为1微米的抛光剂抛光，并放入管式炉进行氧化，氧化剂为40％氯酸钾，30％硝酸钠，20％氯化钠，10％氯化锶混合盐，氧化温度为400℃～430℃时间为0.5～1小时并通入氧气其流量为1.5～2m3/h。
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