[发明专利]一种合金铸铁低温表面催化渗氮的新方法

说明书

技术领域

本发明的一种合金铸铁缸套低温表面催化渗氮的新方法属金属材料表面化学热处理应用技术领域，适合合金铸铁气缸套、活塞环的表面低温快速氮化处理。

背景技术

氮化又称渗氮，是将活性氮原子渗入钢件表层的过程。渗氮改变了表面的化学成分和组织状态，因而也改变了钢铁材料在静载荷和交变应力下的强度性能、摩擦性能及腐蚀性。氮化件具有高的硬度、耐磨性、良好的抗疲劳性能及变形小等特点，因而被广泛应用于机械工业、石油工业、国防工业等领域，如气缸套、曲轴、凸轮轴、金属切削机床主轴、冲压模具、切削工具、汽轮机等零部件。氮化热处理有气体氮化、盐浴氮化、离子氮化、脉冲激光沉积氮化、活性磁控喷溅氮化和等离子沉浸氮化等。其中，气体氮化工艺以其生产工艺简单、容易操作、成本低、对零部件的适应性强等独到优点，在化学热处理领域有着广泛的应用。热处理工作者广泛关注如何提高渗氮速度，然而对气体氮化存在氮化时间长、零件变形以及渗层脆性较大的问题鲜有报道。

对合金结构钢而言，采用常规的气体渗氮工艺时氮化温度一般在510℃以上，若渗层要达到0.3mm时需要渗氮30h左右；若渗层深度达到0.6mm时需要渗氮60h以上。一般气体氮化时间多为30-70小时，甚至更长，因此生产能耗高而效率低。从提高渗氮速度途径看，有物理催渗法和化学催渗法。物理催渗法就是改变温度、气压、或利用电场或磁场及辐射，或者利用机械的弹塑性变形及弹性振荡等物理方法等，加速渗剂的分解、活化工件的表面、提高吸附和吸收能力、以及加速渗入元素的扩散。如专利最优扩散条件动态可控渗氮技术(CN 85100540)在渗氮过程中采用循环加热规范，充分利用渗氮过程中强渗的高速阶段，缩短渗氮周期，改善渗氮质量(脆性级别、氮化物级别和疏松级别)，提高表面硬度。化学催渗法，如专利钢的渗氮方法(96110008.7)和钢渗氮方法(90101529.6)采用表面氟化处理活化、稀土催渗离子渗氮新技术(91107932.7)、稀土在气体渗氮及氮碳共渗工艺中的应用方法(97114434.6)、钛催化渗氮工艺(99112897.4)等，在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解过程，除去工件表面氧化膜等阻碍氮原子吸附或吸收的物质，利用加入的物质与工件表面的化学作用，活化工件表面，加快氮原子的吸收速度，提高氮的渗入能力。

以上介绍的物理或化学催化法，在高的温度下可以显著的提高渗氮速率，缩短渗氮时间。然而，气体渗氮温度高在生产中经常碰到精密模具、齿轮由于变形超差而不能正常使用导致零件废品率高、渗氮后的齿轮高速旋转时产生噪音等问题。例如，齿轮畸变直接影响其精度，强度、运转时噪音、振动和使用寿命等。12V240柴油机的锻钢曲轴形状复杂，制造成本为整个柴油机的1/8～1/6。为了保证磨削后曲轴表面仍有较高的硬度，不允许增大预留磨削量，故曲轴渗氮过程中的变形控制便显得尤为重要和十分困难。海军使用的12V180高速柴油机缸套壁厚仅为9.88mm，采用传统气体渗氮工艺变形超差问题严重。H13模具钢气体渗氮会使其心部组织软化，渗氮温度愈高，疲劳极限愈低。研究表明圆柱试样外径变化量与渗氮时间的平方根有一定的比例关系，缩短渗氮周期有助于减少零件渗氮变形[1]。

温度对氮化处理的影响表现在两个方面：一方面改变了氮原子在各氮化相中的扩散系数。另一方面，还改变了渗层的相结构，当氮化温度升高时，相区扩大，相厚度增加，总深度也增加。氮化温度过低，渗氮速度很低，为达到一定的渗层厚度需要延长氮化处理的时间，此时导致表面所吸附的活性氮原子数量减少，表面的硬度不高，所以一般氮化处理温度不应低于510℃[2]。因此，先前有关气体渗氮的研究大都围绕着如何提高渗氮速率缩短渗氮周期，而对低温渗氮研究鲜有报道。2003年，卢柯等运用预处理纳米化技术首次在300℃×9h渗氮后获得了渗氮层[3]，推动了气体渗氮技术的进步。但目前基于塑性变形衍生的各种表面纳米化渗氮方法[3～5]受材料材质塑性变形性能力、零件形状结构的制约，该方法适合外平面规则的零件表面纳米化，但在复杂结构零件中的应用受到了很大限制。