[发明专利]一种等离子多元共渗处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及对钢铁材料进行表面处理的方法，尤其涉及一种等离子多元共渗处理方法。

背景技术

目前，碳素钢、合金钢、铸铁材料等制品广泛应用于各个领域，其防锈蚀工艺主要包括电镀、喷漆、镀达克罗涂层、喷锌、喷铝、热浸镀锌、热浸镀铝等，这些涂层与基体金属的结合力主要为物理机械结合或化学键结合，因此大部分硬度低、耐磨性差，与冶金结合的渗层相比，更容易脱落、剥离。

离子渗氮法(或辉光放电氮化)是由德国人B.Berghaus于1932年发明的一种表面处理方法。该方法是在低真空含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的电压，产生辉光放电，离子化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热，同时依靠溅射、离子化及表层扩散作用等进行氮化处理。我国在二十世纪七十年代开始等离子渗氮工艺的研究，经过近四十年的发展，相继研究出等离子氮碳共渗、等离子硫氮碳共渗、等离子氧氮碳共渗、等离子渗硫等工艺，目的是增加不同材料工件的表面硬度，提高耐磨性或降低表面的摩擦系数。

气体渗氮在1923年左右，由德国人Fry首度研究发展并加以工业化。它是将工件置于氮化炉内，靠外加热源使工件升温，炉内通入含氮气氛，发生热分解，产生活性氮原子而进行渗氮处理。气体氮化经过不断发展，也开发出气体氮碳共渗、气体氮碳氧共渗等工艺，从而使被处理工件具有良好的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性。

气体多元共渗防蚀技术是在气体渗氮的基础上开发应用的，在二十世纪九十年代由中国铁道科学研究院曾耀新等人开始研发，并成功用于铸铁材料的防锈蚀处理。在二十一世纪初，气体多元共渗防锈蚀技术进一步转化用于铁路螺旋道钉的防蚀表面处理。芦笛等人的发明专利“一种采用气体多元共渗和电沉积复合技术对紧固件进行表面处理的方法”(专利号：CN200910060298.4)，也是公开的气体多元共渗处理方法与电沉积镀铜、镀镍相结合，提高工件的防锈蚀性能。西南交通大学杨川等人的发明专利“气体多元共渗控制系统”(专利号CN200420060529.4)，其核心是采用气体多元共渗方法，对钢铁件进行表面防锈蚀处理。

然而，上述气体多元共渗方法在技术上具有以下不足：①渗层深度不均匀。热分解的气氛是在热工件表面发生反应的，外加热的各区域温度不均匀，气氛循环流动时不同形状工件、工件不同部位的气氛活性不同，工件不同部位洁净程度不同，都会使共渗层深度不均匀。②渗层脆性较大。气氛中热分解粒子与工件表面原子发生反应沉积下来，并向内扩散形成渗层。因此，表层堆积较疏松，孔隙率大，脆性较大。③能量消耗大。由于采用外加热方式，能量由外加热区向炉罐内工件传导，同时向外层隔热区传导，大量冷气体进热气体出也带走热量，故热效率较低，能耗较大。④耗气量高。工艺过程中，气氛为1个大气压稍高，由内向外形成气流动，参与形成渗层的活性氨气用量很少，其余氨气以及分解成的氮气、氢气等，都要以废气方式排出，浪费气源，而且直接排放会污染环境。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够实现具有较高防锈蚀性和耐磨损性能的等离子多元共渗的表面处理方法。该方法尤其适合用于碳素钢、合金钢、铸铁材料制件，如铁路用螺旋道钉、T型螺栓、高强度螺栓、铁垫板等，这些制件在大气环境下使用容易发生锈蚀并失效，因而通过本发明方法处理，可以提高这些制件的防锈蚀性能，从而延长使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种等离子多元共渗处理方法，包括以下步骤：

步骤1)：对工件进行等离子溅射活化处理，所述活化处理的气氛包括含氢的气体，所述活化处理时电压为850V～950V，导通比为0.2～0.3，低气压为20～70Pa；

步骤2)：在含氮、碳和氧的混合气氛中进行多元共渗处理，工件温度为500℃～600℃，保温时间为2～3小时，保温时电压为600～800V，气压200～400Pa；

步骤3)：待工件冷却后取出。

在上述方法中，所述含氢气体为氨气、氢气、甲烷或丙烷中的至少一种。

在上述方法中，所述氮、碳、氧的比例为100∶1.5～5∶20～50。

在上述方法中，所述含氮气体为氮气或氨气中的至少一种。

在上述方法中，所述含碳气体为甲烷或丙烷中的至少一种。

在上述方法中，所述含氧气体为空气、二氧化碳或氧气中的至少一种。

在上述方法中，当所述工件由碳素钢材料制成时，所述共渗处理时工件的温度在560℃～580℃之间。