CN1231611C - 同时经受磨耗和腐蚀的机械零件的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

机械零件的表面处理方法，该方法能够赋予所述零件以高耐磨耗和耐腐蚀性能以及有利于润滑的粗糙度，其中连续地进行所述零件的渗氮和氧化，该方法的特征在于通过将所述零件浸渍入不含含硫成分的熔融盐渗氮浴在约500～700℃的温度下进行所述渗氮过程，而在温度低于大约200℃的氧化水溶液中进行所述氧化过程。

Description

同时经受磨耗和腐蚀的机械零件的表面处理方法
技术领域
本发明涉及同时经受磨耗和腐蚀的机械零件的表面处理方法。更具体地，本发明涉及能够赋予同时受到磨耗和腐蚀的机械零件以高耐磨和耐腐蚀性能以及有利于润滑的粗糙度的表面处理方法。更准确地说，本发明涉及一种其润滑应该精确地受到控制并且其粗糙度应该被控制在一个狭小幅度内的机械零件的表面处理方法。
背景技术
已经知道，在零件表面上油膜的厚度与其表面粗糙度有密切的关系：完全抛光的零件可能不会被油润湿，而反之，过于粗糙的零件将会被厚度低于微小起伏的高度的膜覆盖，这将导致很高的咬刹可能性。
在能够按照本发明有利地进行处理的零件中，能够举出比如千斤顶的杆和热力发动机的阀门。在涉及到千斤顶杆的时候，其表面上油膜的厚度应该受到充分控制，如果太薄，杆和接头的接触不再被润滑，发生磨耗；如果太厚，润滑油会流失，从而导致千斤顶的性能改变。关于热力发动机阀门，油膜在阀门/阀导承接触时同时起到润滑和动态密封的功能，太光洁的零件提供厚度太薄的油膜，润滑效果难以得到保障，而粗糙度太高会导致消耗太多的油使发动机的效率损失。
本领域技术人员对应该同时耐受磨耗和腐蚀的部件提出了许多解决方案。当前使用带有微裂纹的“硬铬”厚沉积层。但这仍然有缺点。在技术上，对所研究的功能来说，钢和铬之间界面的存在可能是严重剥落的根源，另外，在间断操作的零件比如某些千斤顶的情况下，存在由于恶劣天气而使残留的润滑油膜消失因此造成腐蚀的可能性。从经济上看，此方法要求在加工之后进行沉积，实际上这是昂贵的解决办法。最后，从环境上讲，镀铬过程非常普遍地还须要借助作为主要污染物的含6价铬的浴来进行。
目前使用的另一种解决方法包括给零件渗氮，然后将其氧化，在这两个操作过程之后经常进行采用改善耐腐蚀性的产品浸渍表面孔隙的步骤，这些操作要么如在法国专利例如FR-A-2,672,059和FR-A-2,679,258所述在盐浴中要么如在例如欧洲专利0217420中所述在气体气氛中依次进行。
此将渗氮和氧化结合在一起的操作一般给予很好的耐磨耗和耐腐蚀性能，但是，它会系统地导致零件粗糙度增加，达到本发明领域的有关应用不可接受的水平。
这种粗糙度的增加使本领域技术人员通过一个或几个或多或少精工抛光的工序来补足这些方法，使得能够成功地获得如渗氮-氧化-抛光，或者甚至渗氮-氧化-抛光-氧化的顺序。这些方法能够有效地实现润滑功能，但却难于在工业上应用，其原因在于这些方法不得不结合使用很昂贵并且用途有限的不同的技术(热化学和力学)，实际上难以通过抛光控制复杂形状零件的粗糙度。
本申请人意外地证实，通过在特定的浴里进行渗氮和氧化操作可以同时得到高耐磨耗和耐腐蚀性能和有利于润滑的粗糙度。
发明内容
上述目的可通过本发明实现，本发明提供能够赋予机械零件以高耐磨耗和耐腐蚀性能以及有利于润滑的粗糙度的表面处理方法，在该方法中，在所述零件氧化以后连续地进行所述零件的渗氮，该方法的特征在于通过将所述零件浸入到不含含硫成分的熔融渗氮浴中在大约500～大约700℃的温度下进行所述渗氮，而且所述氧化在温度低于大约200℃的氧化水溶液中进行。
为了符合本发明，该方法应该遵循同时连续地进行渗氮和氧化，这两个操作在上述条件下在液相中进行。
但是，不会涉及到连续地联合实施特定渗氮方法和特定氧化方法，而是涉及不可分离的一个整体，因为在本发明方法的情况下，两个方法之间存在着很强的相互作用。
该方法的两个步骤，即渗氮步骤和氧化步骤，应该满足如下条件：
(1)预先渗氮操作(第一步)应该在不含含硫成分的熔融浴中进行。
浴的温度为大约500～大约700℃，比如在大约590～650℃的温度。
该浴有利地含有碱金属氰酸盐和碳酸盐，具有如下组成：
Li+＝0.2～10wt％
Na+＝10～30wt％
K+＝10～30wt％
CO3 -2＝25～45wt％
CNO-＝10～40wt％
CN-＜0.5wt％。
比如，熔融盐渗氮浴含有如下离子(wt％)
Li+＝2.8～4.2wt％
Na+＝16.0～19.0wt％
K+＝20.0～23.0wt％
CO3 -2＝38.0～43.0wt％
CNO-＝12.0～17.0wt％
同时CN-离子最多等于0.5wt％。
有利地设置压缩空气搅拌。
零件的浸渍时间有利地是至少大约10min，根据需要此时间可以达到几小时。习惯上，零件的浸渍时间为大约30～60min。
(2)氧化操作(第二步)在渗氮后进行，应该在低于大约200℃的温度下完成。氧化浴的温度优选为大约110～160℃。氧化浴的温度更好为大约125～大约135℃。
该浴的组成有利地如下所示：
-OH-＝10.0～22wt％
-NO3 -＝1.8～11.8wt％
-NO2 -＝0～5.3wt％
-S2O3 -2＝0.1～1.9wt％
-Cl-＝0～1.0wt％
-Na+＝1.0～38wt％。
比如，氧化水溶液含有如下离子(wt％)
OH-＝17～18.5
NO3 -＝4.0～5.5
NO2 -＝1.0～2.5
Cl-＝0.25～0.35
Na+＝25～29
比如，该氧化水溶液中还含有0.6～1.0wt％硫代硫酸根离子S2O3 -2。
零件在氧化浴中的浸渍时间有利地为大约5～45min。
显然可以看出，在按照本发明进行渗氮和随后进行氧化以后，被处理的零件随后可经过其功效与先有技术相同的浸渍操作。尽管最终粗糙度明显地更小，但是该层对浸渍产物呈现的亲和性至少达到同样高的水平。至今这个意外的事实还不能进行科学地解释。
本发明还提供采用上述方法处理的零件，其中所述方法促进表面改性。本发明零件的特征在于其粗糙度的Ra值低于大约0.5μm，还在于其表面上没有“顶部切平面(tables)”。
具体实施方式
在下面非限定性实施例中将更详细地说明本发明。
实施例1
一种尺寸为30×18×8mm的平行六面体试样以及直径为35mm的套环，两个都是含碳0.35％的非合金钢，初始粗糙度Rmax＝0.6μm，首先在含有19％(质量)氰酸根离子、37％碳酸根离子和3.5％锂离子，其余是钠离子和钾离子的渗氮盐浴中进行处理N1。在630℃的温度下浸渍零件40min。
在其离开此浴时，在水槽中将该零件冷却，然后洗涤，再在135℃下，在氧化性盐水中浸渍(0×1)15min，该盐水由85kg处在75升水中含下列盐(表1)的混合物(wt％)构成：
表1
    HO-     18％
    NO2 -     2％
    NO3 -     5％
    S2O3 -2     1％
    Cl-     0.3％
    Na+     27％
然后在80℃，水中洗涤这些零件，再在基于40℃可溶性油的溶液里中和，然后干燥。
这些试样一方面用粗糙度，另一方面用摩擦试验来表征。
对于如此处理的零件进行的粗糙度测量结果汇总在表II中，与用传统方法得到的试样进行比较，这些试样被编号为N2、N3、0×2和0×3，N2相当于按照FR-2171993或US-3912547进行渗氮，N3相当于按照(TF1)进行渗氮，0×2相当于按照FR-2708941或US-5576066进行氧化，而0×3相当于按照FR-2306268或US-4055446进行氧化。用来评价表面状态的粗糙度花样的形态参数是：Rα(平均算术长度)和R(平均算术深度)
表II
    处理前             处理后
    R(μm)   Rα(μm)     R(μm)   Rα(μm)
 N2×2 未抛光     0.25   58     2.3   62
抛光     0.25   58     0.9   54
 N3+0×3 未抛光     0.25   58     2.5   66
抛光     0.25   58     0.9   56
 N1+0×1：按照本发明处理     0.25   58     0.85   52
应该注意，本发明方法能够得到与传统方法之后再经过抛光得到的粗糙度相同的粗糙度。
对于摩擦试验，套环被压紧在逐渐增加负荷的薄片的主表面上，负荷的初始值是5daN，恒定滑动速度是0.55m/sec。在试验前给薄片的摩擦面加油。结果汇总在表III中。
表III
        处理 试验时间(min) 两零件累计磨耗(μm) 摩擦系数
  N2+0×2   未抛光     30     30     0.4
  抛光后     60     12     0.25
  N3+0×3   未抛光     30     34     0.43
  抛光后     50     20     0.3
  N1+0×1：按照本发明处理     60     10     0.2
实施例2
在组成与实施例1相同的渗氮浴中处理含0.45％碳、9％铬和3％硅的高度合金钢圆柱体。
在保持在590℃的浴中浸渍零件30min，然后在冷水中淬火。一旦洗涤以后，在130℃下在实施例1所述的盐水中将零件氧化10min，然后重新用热水洗涤。
在这类钢材上经过碳氮共渗氧化或硫-碳氮共渗氧化的标准方法得到的粗糙度通常较高，因为得到的表面层质量不佳(多孔层和粘附不良的粉末氧化物)。作为示例说明，Rz一般在10μm左右，经常须要进行抛光操作，甚至于微观硬度试验，使粗糙度Rz接近2μm。
按照在此实施例所述范围处理的零件，其Rz为2～2.5μm，无须抛光或微观硬度试验。
请注意：Rz＝按照1998年修订的标准NF ISO 4287-1997测量的平均粗糙度深度。
实施例3
进行试验以显示本发明方法作为不可分离的整体的程度。在此实施例中，含0.35wt％碳的非合金钢圆柱体试样通过将各种渗氮方法与包括实施例1和2中所述方法在内的通常氧化方法结合得到处理。
按照FR-2171993或US-3912547，在570℃下，在由37wt％氰酸根离子和17wt％碳酸根离子、其余是碱金属K+、Na+和Li+阳离子、还含有10～15ppmS-2离子的盐浴里或在与实施例1相同的条件下进行渗氮步骤。
按照FR 93 09814可以在475℃下在基于13.1％碳酸根离子、36.5％硝酸根离子、11.3％氢氧根离子和0.1％铬酸氢根离子、其余是碱金属K+、Na+和Li+阳离子并且含有10～15ppmS-2的盐浴里也可以在与实施例1和实施例2所述的条件下进行渗氮步骤。
得到的有关粗糙度的结果汇总在下面表IV中，已知所有试样的初始粗糙度是0.3μmRa。
表IV
    处理     处理后的粗糙度
    R(μm)     Rα(μm)
 N2 570℃+0x2 475℃     2.3     62
 N2 570℃+0x1 130℃     2.6     66
 N1 630℃+0x2 475℃     2.4     63
 N1 570℃+0x1 130℃     0.9     54
 N1 630℃+0x1 130℃按照本发明     0.85     52
 N1 570℃+0x1 110℃     0.9     55
 N1 590℃+0x1 150℃按照本发明     0.85     51

Claims (14)

1.机械零件的表面处理方法，其中连续地进行所述零件的渗氮和氧化，该方法的特征在于通过将所述零件浸渍入不含含硫成分的熔融盐渗氮浴，在500～700℃的温度下进行所述渗氮过程，而在温度低于200℃的氧化水溶液中进行所述氧化，其中该熔融盐渗氮浴含有如下离子：
Li+＝2.8～4.2wt％
Na+＝16.0～19.0wt％
K+＝20.0～23.0wt％
CO3 -2＝38.0～43.0wt％
CNO-＝12.0～17.0wt％
CN-离子的数量最多等于0.5wt％。
2.权利要求1的方法，其特征在于该机械零件浸入到渗氮浴的时间至少等于10min。
3.权利要求2的方法，其特征在于该机械零件浸入到渗氮浴的时间为30～60min。
4.权利要求1～3中任一项的方法，其特征在于通过压缩空气搅拌该渗氮浴。
5.权利要求1～3中任一项的方法，其特征在于该氧化水溶液含有如下离子：
OH-＝10.0～22.0wt％
NO3 -＝1.8～11.8wt％
NO2 -＝0～5.3wt％
Cl-＝0～1.0wt％
Na+＝1.0～38wt％。
6.权利要求5的方法，其特征在于该氧化水溶液含有如下离子：
OH-＝17～18.5wt％
NO3 -＝4.0～5.5wt％
NO2 -＝1.0～2.5wt％
Cl-＝0.25～0.35wt％
Na+＝25～29wt％
7.权利要求5的方法，其特征在于该氧化水溶液还含有0.1～1.9wt％硫代硫酸根离子S2O3 -2。
8.权利要求7的方法，其特征在于该氧化水溶液还含有0.6～1.0wt％硫代硫酸根离子S2O3 -2。
9.权利要求1～3中任一项的方法，其特征在于渗氮是在590～650℃的温度下进行。
10.权利要求5的方法，其特征在于渗氮是在590～650℃的温度下进行。
11.权利要求1～3中任一项的方法，其特征在于氧化是在110～160℃的温度下进行。
12.权利要求5的方法，其特征在于氧化是在110～160℃的温度下进行。
13.权利要求12的方法，其特征在于氧化是在125～135℃的温度下进行。
14.权利要求5的方法，其特征在于该零件在氧化浴中的浸渍时间为5～45min。
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