[发明专利]一种气体等离子渗硫工艺

说明书

技术领域

本发明属于钢的表面热处理技术领域。特别是提供了一种气体等离子渗硫工艺。

背景技术

渗硫层是一种以硫化亚铁(FeS)为主要成份的硫铁化合物。表面呈微孔状，其显微硬度为HV40-100。FeS的晶体结构为密排六方与石墨相同，呈磷片状。有很低的干摩擦系数。有很好的自润滑性能，渗硫层与基体的结合是网状渗透方式，与金属基体呈参差不齐的锯齿状结合，因此有很好的结合力。渗硫层中的微孔可贮存润滑剂，形成稳定的油膜，使油膜的耐压力提高2-3倍，阻碍了摩擦副之间的直接接触。特别是在缺油、高速度、高载荷、高冲击的工况条件下，耐磨效果更加显著。在轴承和各种机械零件中应用，可提高使用寿命2-3倍。

渗硫技术早在1974年法国已普遍开始使用，至80年代法、美、意等国已有千余家企业采用。1985年日本汽车工业开始应用。可以说国外机械产品(如汽车、发动机等)使用寿命较长的技术关键就在于渗硫处理。

我国在上世纪80年代也已有渗硫技术的应用，主要应用在纺织行业和军工行业。但是，当时国内外主要都是采用电解渗硫法。由于电解渗硫法存在严重环境污染，渗硫剂含有剧毒硫氢化合物，渗硫剂寿命短、成本高，处理温度也偏高，降低零件基体硬度，难以大量推广应用。

为了克服上述电解渗硫的缺点，国内90年代末已有些单位开展了等离子渗硫的研究，如清华大学、铁道科学院、武汉首发离子设备有限公司等。发表了一些论文，还申报过专利。同时还有几个小型企业对外营业，他们共同点就是使用卧式离子渗硫炉，用固体硫磺加热产生的硫蒸气作为等离子渗硫的气源。我公司前期还曾到几个企业协作过几批轴承零件渗硫处理。通过对协作轴承零件解剖分析发现，存在如下严重问题：①表面颜色不均匀，有白有黑(表面应为均匀的灰黑色)。②渗硫深度很浅，为0-1μm。③渗硫表面含硫量很低，为0-7％左右，如果渗硫表面全部为FeS覆膜的话，含硫量应为36％左右。轴承零件试用效果也不明显。产生上述渗硫质量问题的原因，我们认为，采用固体硫磺一次性定量放入渗硫炉膛内加热蒸发，在渗硫过程中，很难控制硫的蒸发量，蒸发量若太多，炉内气氛会很难均匀，从而造成硫离子分布不均匀，渗硫不均匀，零件表面自然含硫量不均匀，渗层深浅不均匀，颜色也不均匀，蒸发量太少，又不能渗硫，很难控制，很难保证质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体等离子渗硫工艺，为了解决上述问题，本公司购置了一台离子渗硫设备，自行试验开发等离子渗硫工艺。解决了渗硫质量难以控制的问题。

该工艺是将钢铁零件置于直流高电压、高真空的密封渗硫炉中，并通入适量的氢气、氩气和氨气等载体气和硫化氢渗硫气氛。这些气体进入渗硫炉后即分裂成氮、氢、氩和硫的等离子状态。并高速撞击处于阴极板的钢铁零件表面，使工件升温。其中硫离子渗入零件表面形成硫化亚铁，覆盖整个零件表面从而达到渗硫的目的。渗硫炉示意图见附图1。

采用硫化氢(H2S)气体通过流量计，通入渗硫炉内作为渗硫气源的方法，取代了将固体硫磺一次性放入炉内加热蒸发作为渗硫气源的方法，从而解决了通入炉内渗硫气源适量，炉内气源分布均匀，炉内硫离子均匀，零件表面渗硫均匀，表面含硫量均匀，表面渗硫层深度均匀，表面颜色均匀等问题。另外，渗硫气体排出口采用水封，H2S和NH3等有害气体可以溶于水中，对环境完全没有污染，本发明采用氨气，氢气和氩气为载气体，同时通入炉内，载气体可单独使用，如氨气加硫化氢，氢气加硫化氢，也可联合使用，如氢气加氩气加硫化氩等等。

本发明的具体工艺如下：

1、渗硫设备与通用的立式离子氮化炉基本相同，只是局部有些改进，如：采用4通道各带流量计的气体输入管，带有两个真空泵，两个温度显示和控制仪，两套真空度显示和控制仪。整个渗硫过程采用PLC控制系统控制。(示意图见附图1)

2、待处理工件经清洗后均匀摆放在炉内阴极料盘上，炉罩为阳极，盖好炉罩后启动真空泵开始抽真空，真空度50-1000Pa可调，(优选渗硫真空度范围：300-800Pa)

3、当真空度达到50Pa时，加上直流高电压，电压调整范围为300-1000V(优选：500-800V)在高电压和高真空条件下，气体裂解为等离子，并撞击阴极和工件。炉内产生辉光等离子撞击工件产生热量使工件升温，工件温度自动控制，控制温度范围100-650℃(高碳铬轴承钢轴承：130-250℃，耐高温轴承：300-600℃)，电流：0.1-100A(优选：1-50A)根据不同工件要求来设定。