鋼鐵工件滲氮的快速燻滲方法
2023-05-29 01:04:11
專利名稱：：鋼鐵工件滲氮的快速燻滲方法
技術領域：
：本發明屬金屬表面化學熱處理技術。本發明的方法不同於傳統的氣體滲氮，氣體滲氮是利用NH3和NH3+N2氣體在氮化爐中的熱分解而使工件表面獲得氮化層的方法。本發明的方法是利用一種可升華的高氮化合物，通過加熱使之全部「煙霧化」並沉積在工件表面，再通過在工件表面上的催化分解，使產生的活性氮原子滲入工件而獲得氮化層的方法。根據這一特點將該工藝稱之為「燻滲」。本發明用作燻滲劑的高氮化合物是蜜白胺、蜜勒胺和氰尿醯胺，上述物質通稱為三聚氰胺聚合物。
背景技術：
：迄今為止所有已公知公用的，其滲層表面具有ε-相化合物層特徵的傳統滲氮和氮碳共滲工藝，無論是氣體法、液體法還是固體法，因處理溫度不超過570℃，當處理溫度在1-4小時範圍內時，一般獲得的化合物層厚度不超過30μm。其部分典型工藝及其化合物層厚度列於表1。表1數據具有普遍意義，與目前國內外的實際應用相吻合表1.部分典型氮碳共滲工藝和滲層的比較＊擴散層深度為60-90μm文聯煜等，FON工藝的研究與應用。天津編織工學院學報，1989年No.4，p113-121。C.Dawesetal.ARe-AppraisalofNitrocarburizingandNitridingWithAppliedtotheDesignandManufactureofNon-AlloySteelAutomobileComponents，JournalofHeatTreating，Vol.1，No.2，December1979，p30-42.D.B.Gorodetskyetal，MethodofLowTemperatureNitrocarburizingofSteelArticles，EuropeanPatentNo.EP0323511，Conventiondate16June1987.鑑與在滲氮和氮碳共滲時工件表面的強化是靠獲得一層硬的氮化物而不是靠相變馬氏體，在Fe-N二元系相圖上奧氏體共析溫度是590℃，在Fe-N-C三元系相圖上奧氏體的共析點是565℃，因而傳統工藝的處理溫度從不逾越570℃。另外，一個更重要的實際困難在於滲氮劑。例如氨，幾乎是所有傳統的氣體滲氮和氣體氮碳共滲工藝所採用的主體滲劑，而氨的熱穩定性較差，隨溫度升高氨的分解速度加快，在500℃左右NH3基本上分解為N2+H2，在分解過程中所生成的活性氮原子[N]，可進入鋼鐵工件形成氮化層。但活性氮原子也極易結合成N2，而N2是相當穩定的，通常不能由N2分解得到[N]，故當處理溫度過高時，意味著NH3在到達工件表面之前已提前分解，喪失了所具有的滲氮能力。總之，溫度低、時間長、滲層薄是傳統滲氮和氮碳共滲工藝的特點和問題。本發明的目的在於克服上述缺點，以便提出新的技術方案來取得「溫度高、時間短、滲層厚」的應用效果。本發明概述為解決上述傳統技術存在的問題，本發明技術方案的特徵之一是採用燻滲方法。即採用高氮化合物作燻滲劑，燻滲劑在加熱過程中將全部「煙霧化」，並同時完成升華-沉積-包覆工件的過程。粘附在工件表面的燻滲劑所形成的塗層或膜，既能在工件表面上催化分解，向工件提供活性氮原子[N]，又對工件有機械和化學的保護作用-防止氧化和脫碳。本發明技術方案的另一特徵是採用三聚氰胺聚合物作燻滲劑。蜜白胺(melam)、蜜勒胺(melem)和氰尿醯胺(melon)均是已知的三聚氰胺聚合物，參見《Kirk-OthmerEncyclopediaofChemicalTechnology》第2版，第6卷，第571頁。在常溫常壓條件下，上述物質均為白色團塊或粉末，化學性能非常穩定，不含有毒或危險成分。同傳統工藝使用的滲氮劑相比，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物具有如下三個特點1.含氮量高，參見表2;2.在常壓條件下可升華，無熔點，加熱到350℃蜜白胺、蜜勒胺開始升華，加熱到600℃氰尿醯胺開始升華。在700℃以上的持續加熱條件下，蜜白胺、蜜勒胺、氰尿醯胺均可全部升華而不留殘餘物質。3.蜜白胺、蜜勒胺和氰尿醯胺在分子結構上均有牢固的三嗪環，因而熱分解溫度高於氨和聚醯氨等物質。同傳統工藝相比較，本發明的技術方案具有滲氮溫度高，處理時間短、獲得的滲層厚，以及設備操作簡單等優點。在不同溫度條件下實施本發明技術方案，處理60分鐘，可獲得的ε-相化合物層厚本發明的具體做法實施本發明的最優技術方案是，將被處理工件同約佔工件重量5.0-0.1%的燻滲劑一起裝入一個被稱為燻滲箱的密封容器，其燻滲箱容積相對被處理工件來說應是最小的，燻滲箱應有可靈活開啟的箱蓋並便於裝卸工件。燻滲溫度可選在500-900℃範圍，普通碳鋼以700℃為宜。保溫時間為10-60分鐘。燻滲劑的投放量一般與處理溫度和被處理工件的表面積有關，處理溫度越高，被處理工件的表面積越大，則所需消耗的燻滲劑就越多。為提高被處理工件的屈服強度和疲勞強度，滲氮或氮碳共滲後的工件應直接淬入油或水中。進一步說明本發明技術方案的實施例如下實施例1材料分別為純鐵、20鋼和60鋼工件重量和尺寸邊長為20mm的立方體試樣，重量為60.8克燻滲劑投放量100克，約佔裝爐量的0.7%燻滲箱內腔尺寸為φ150×150mm鈦罐電爐普通20kw實驗電阻爐燻滲工藝加熱到700℃並保溫60分鐘，然後油冷處理結果純鐵的化合物層厚度為75μm，顯微硬度為HV552.8;20鋼的化合物層厚度為40μm，顯微硬度為HV802.4;60鋼的化合物層厚度為67μm，顯微硬度為HV643.8(注測試顯微硬度的負荷皆為200克)實施例2材料60鋼工件重量和尺寸邊長為20mm的立方體試樣，重量為60.8克燻滲劑投放量100克，約佔裝爐量的0.7%燻滲箱內腔尺寸為φ150×150mm鈦罐電爐普通20kw試驗電阻爐燻滲工藝加熱到800℃並保溫10分鐘，然後油冷處理結果化合物層厚度為125μm，顯微硬度為HV643.8(注測試顯微硬度的負荷為200克)權利要求1.本發明的方法是採用三聚氰胺聚合物作燻滲劑，將工件和燻滲劑同時裝入燻滲箱，在加熱時燻滲劑升華並包覆工件，其催化分解產生的活性氮原子被工件吸收並形成滲層的方法。2.根據權利要求1，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括氰尿醯胺(〔C6H3N9〕n)。3.根據權利要求1，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括蜜勒胺(C6H6N10)。4.根據權利要求1，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括蜜白胺(C6H9N11)。5.將本發明的方法同傳統的方法結合起來。具體做法是在傳統的固體、氣體滲氮，固體、氣體氮碳共滲，甚至固體、氣體碳氮共滲工藝中，通過加入燻滲劑三聚氰胺聚合物的方法，來提高滲速，增加滲層厚度，並改善和提高滲層性能。6.根據權利要求5，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括氰尿醯胺(〔C6H3N9〕n)。7.根據權利要求5，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括蜜勒胺(C6H6N10)。8.根據權利要求5，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括蜜白胺(C6H9N11)。9.不用燻滲箱，將工件和過量的三聚氰胺聚合物燻滲劑直接裝入各種類型密封良好的熱處理爐，如箱式爐、罩式爐、井式爐、管式爐以及真空爐等，進行氮化處理的方法。10.根據權利要求9，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括氰尿醯胺(〔C6H3N9〕n)。11.根據權利要求9，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括蜜勒胺(C6H6N10)。12.根據權利要求9，作為燻滲劑的三聚氰胺聚合物包括蜜白胺(C6H9N11)全文摘要本發明屬金屬表面化學熱處理技術。本發明的方法是把某種高氮化合物作為燻滲劑，將工件和燻滲劑同時裝入燻滲箱，在加熱時燻滲劑升華並包覆工件，其催化分解產生的活性氮原子被工件吸收並形成滲層的方法。本方法優於常規氣體滲氮，時間短、滲劑省、效果好。一般在500-900℃燻滲10-60分鐘可獲得化合物層厚度達35-210μm。本方法可利用常規熱處理設備，可用於連續化生產線和真空滲氮，亦可和常規固體、氣體滲氮或碳氮共滲等工藝結合使用。文檔編號C23C8/26GK1061050SQ91111528公開日1992年5月13日申請日期1991年12月14日優先權日1991年12月14日發明者文聯煜,楊連珠,侯菊源,張龍,張乃坤,葉德慶申請人:天津紡織工學院