专利名称：铝及铝合金二段液体氮化方法
技术领域：
本发明涉及一种铝及铝合金的热处理工艺，尤其涉及一种铝及铝合金的表面液体氮化工艺。
背景技术：
铝及铝合金在工程结构和机器制造特别是汽车行业的应用十分广泛，因为他们具有比强度高，比重小，在不降低安全性和稳定性的前提下，可以减轻工程结构和机器整机的重量，同时铝及铝合金还具有良好的机械加工性。但随着工业技术的发展，铝及铝合金较低的硬度、较低的耐磨性以及耐蚀性使它已经不能胜任构件之间高的相对运动、高质流和高腐蚀等苛刻服役条件的要求。近年来通过对铝及铝合金进行氮化处理，在铝表面形成高硬度铝氮化物层来提高 铝及其合金的硬度和耐磨性已经越来越引起人们的兴趣。但是由于铝的化学性质很活泼，纯铝及铝合金表面都存在稳定性很好的自然氧化膜。根据环境中水分含量，氧化膜的厚度最厚可达0.1 μπι左右，严重阻碍了氮原子向铝基体中的扩散，这也是铝及铝合金实现表面渗氮的难点，所以一般认为传统的渗氮工艺很难在铝及铝合金表面实现渗氮。目前主要研究和采用的铝及铝合金渗氮工艺为辉光放电等离子体渗氮，以及为获得更好氮化效果的改进工艺增强等离子体离子渗氮、激光诱导等离子体渗氮、ECR(electron cyclotron resonance)微波等离子体渗氮、射频(高频)等离子体渗氮等,但上述铝及其铝合金的氮化工艺的共同点是设备要求及生产成本高、操作复杂难控制，对于大尺寸和结构复杂的工件很难得到理想均匀的氮化层。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氮化层均匀可控，成本低，且工艺简单易行的铝及铝合金氮化工艺。本发明通过以下技术方案予以实现。铝及铝合金二段液体氮化方法，包括如下步骤
I)去除表面氧化膜
a.预处理并清洗工件表面；
b.第一次浸锌，在室温环境下将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间50 70s ；
c.水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件；
d.退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌；
e.第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间25 35s ；
f.水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干；2)表面氮化
a.熔化浴盐将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，加热使所述浴盐熔
化；
b.预热工件将经过去除表面氧化膜的所述工件置250-350°C条件下预热30-50min；
c.一段氮化将经预热的所述工件放入所述一段氮化坩埚炉内进行一段氮化，温度550-570°C，时间 1-2 h ；
d.二段氮化将经一段氮化的所述工件放入所述二段氮化坩埚炉内进行二段氮化，温度 590-610°C，时间 2-3 h ；
e.冷却将二段氮化后的所述工件冷却至室温；
f.清洗将冷却后的所述工件置于沸水中清洗。所述浸锌溶液是含有如下成分的水溶液
氧化锌10 30 g/L ；
氢氧化钠50 70g/L ； 酒石酸钾钠50 90g/L。所述硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比I: I配成的溶液，所述工件浸入该溶液中的时间为6-12S。所述浴盐的按重量百分比由如下物质组成46 48%尿素、38 40%碳酸钠、6 8%氯化钾和6 8%氯化钠。氮化过程中应当维持浴盐中的氰酸盐含量在30-35%范围。所述一段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加O. 5 I克。所述二段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加I I. 5克。所述去除表面氧化膜步骤中的预处理并清洗工件表面过程包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤。本发明的有益效果如下
1)浸锌处理有效地去除了铝及铝合金表面致密氧化物并阻止其在进入盐浴前的再度形成，有利于氮原子的渗入；
2)采用普通气体渗氮炉或可进行渗氮处理的气体渗碳炉就可实现铝及铝合金渗氮，渗氮设备要求不高，生产成本低，操作简单易行；
3)适应性广，可以处理各种形状和尺寸的工件；
4)工件所有表面能得到厚度均匀的氮化铝化合物层。渗层深度为8.I 22 μ m，工件表面显微硬度为纯铝46. 5 72HV0. 1，铝合金79 181HV0. I。本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进解释，这些实施例是仅作为例子给出的。
具体实施例方式以下实施例中一段和二段氮化分别在2台GY11-19电阻坩埚炉中进行的，其它坩埚炉同样可按上面所述工艺实施；预热采用RX3-15-9箱式电阻炉中进行。实施例I
工件材料为1050纯铝，其化学成分及重量百分比为Al 99. 50%, Si O. 25%, Cu O. 05%,Mg O. 05%,另有仅少量Zn、Mn等。首先对上述工件进行去除表面氧化膜处理，具体步骤如下
O预处理并清洗工件表面包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤，其中化学除油、酸浸蚀按照现有一般工业纯铝表面处理方法进行处理。2)第一次浸锌，在室温环境下(指5 35°C，下述相同)将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间55s。浸锌溶液按下列配方配制
氧化锌(ZnO)10 g/L ；
氢氧化钠(NaOH)50g/L ；
酒石酸钾钠(KNaC4 H4O6) 50g/L。3)水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。4)退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌，时间为6s ； 硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:0. 8配成的溶液。5)第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间25s。第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同。6)水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干。上述步骤完成后，去除了工件表面氧化膜，在工件表面得到一层极薄的锌覆盖层，以防止铝的氧化膜产生。接着对工件进行表面氮化处理，具体步骤如下
I)熔化浴盐将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，加热使所述浴盐熔化。具体方法如下配制浴盐，其组分及重量百分比为尿素46%、碳酸钠38%、氯化钾8%和氯化钠8%。将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉。开启一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，使其升温，熔化固体盐，其中一段氮化坩埚炉加热至设定的550°C氮化工作温度、二段氮化炉升温至设定的590°C氮化工作温度；
所用一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉均为外热式电阻坩埚炉。2)预热工件将经过去除表面氧化膜的所述工件连同料筐或挂具放入已加热至250°C的箱式电阻炉中预热，时间为30分钟。3) 一段氮化将预热好的工件连同料筐或挂具置于已加热至550°C的一段氮化坩埚炉浴盐中进行一段氮化，时间为I小时；在一段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中加入尿素，添加量为每升浴盐加O. 5克；
4)二段氮化将经一段氮化的所述工件放入已加热至590°C的二段氮化坩埚炉盐浴中进行二段氮化，时间为2小时；在二段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加入I. O克；
5)冷却将二段氮化后的工件取出在空气中冷却至室温。6)清洗将上述冷却后的工件置于沸水槽中进行清洗以去除表面上附着的盐质。经过上述处理后，渗层深度为7. I μ m，工件表面显微硬度为46. 5HV0. I。实施例2
工件材料为5050铝合金，其化学成分及重量百分含量为Si O. 4%、Fe O. 7%、Cu 0.2%、Mn I. l%、Mg I. 4%、Zn 0. 25%、其它 0. 15%、余量为铝。首先对上述工件进行去除表面氧化膜处理，具体步骤如下
O预处理并清洗工件表面包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤，其中化学除油、酸浸蚀按照现有5050铝合金表面处理方法进行处理。2)第一次浸锌，在室温环境下将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间60s。 浸锌溶液按下列配方配制
氧化锌(ZnO)20 g/L ；
氢氧化钠(NaOH)60g/L ；
酒石酸钾钠(KNaC4 H4O6) 70g/L ；
3)水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。4)退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌，时间为IOs ； 硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:1配成的溶液。5)第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间30s。第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同。6)水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干。上述步骤完成后，去除了工件表面氧化膜，在工件表面得到一层极薄的锌覆盖层，以防止铝的氧化膜产生。接着对工件进行表面氮化处理，具体步骤如下
I)熔化浴盐将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，加热使所述浴盐熔化。具体方法如下配制浴盐，其组分及重量百分比为尿素46. 5%、碳酸钠38. 5%、氯化钾8%和氯化钠7%。将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉。开启一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，使其升温，熔化固体盐，其中一段氮化坩埚炉加热至设定的560°C氮化工作温度、二段氮化炉升温至设定的60(TC氮化工作温度；
所用一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉均为外热式电阻坩埚炉。2)预热工件将经过去除表面氧化膜的所述工件连同料筐或挂具放入已加热至280 V的箱式电阻炉中预热，时间为40分钟。3) 一段氮化将预热好的工件连同料筐或挂具置于已加热至560°C的一段氮化坩埚炉浴盐中进行一段氮化，时间为I. 5小时；在一段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中加入尿素，添加量为每升浴盐加O. 6克；
4)二段氮化将经一段氮化的所述工件放入已加热至600°C的二段氮化坩埚炉盐浴中进行二段渗氮，时间为2. 5小时；在二段渗氮过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加入I. 2克；
5)冷却将二段氮化后的工件取出在空气中冷却至室温。6)清洗将上述冷却后的工件置于沸水槽中进行清洗以去除表面上附着的盐质。经过上述处理后，渗层深度为14. 2 μ m，工件表面显微硬度为137HV0. I。实施例3
工件材料为2A12铝合金，其化学成分及重量百分含量为Cu 4. 3%、Mg I. 6%、Mn 0.6%、Si 0.4%、余量为铝。首先对上述工件进行去除表面氧化膜处理，具体步骤如下
O预处理并清洗工件表面包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤，其中化学除油、酸浸蚀按照现有2A12铝合金表面处理方法进行处理。2)第一次浸锌， 在室温环境下将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间70s。浸锌溶液按下列配方配制
氧化锌(ZnO)30 g/L ；
氢氧化钠(NaOH)70g/L ；
酒石酸钾钠(KNaC4 H4O6) 90g/L ；
3)水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件。4)退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌，时间为12s ； 硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:1.1配成的溶液。5)第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间时间35s。第二次浸锌溶液与第一次浸锌溶液相同。6)水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干。上述步骤完成后，去除了工件表面氧化膜，在工件表面得到一层极薄的锌覆盖层，以防止铝的氧化膜产生。接着对工件进行表面氮化处理，具体步骤如下
I)熔化浴盐将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，加热使所述浴盐熔化。具体方法如下配制浴盐，其组分及重量百分比为尿素48%、碳酸钠39. 5%、氯化钾6. 5%和氯化钠6%。将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉。开启一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，使其升温，熔化固体盐，其中一段氮化坩埚炉加热至设定的570°C氮化工作温度、二段氮化炉升温至设定的610°C氮化工作温度；
所用一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉均为外热式电阻坩埚炉。2)预热工件将经过去除表面氧化膜的所述工件连同料筐或挂具放入已加热至350°C的箱式电阻炉中预热，时间为50分钟。3) 一段氮化将预热好的工件连同料筐或挂具置于已加热至570°C的一段氮化坩埚炉浴盐中进行一段氮化，时间为2小时；在一段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中加入尿素，添加量为每升浴盐加I. O克；
4)二段氮化将经一段氮化的所述工件放入已加热至610°C的二段氮化坩埚炉盐浴中进行二段渗氮，时间为3小时；在二段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加入I. 5克；
5)冷却将二段氮化后的工件取出在空气中冷却至室温。6)清洗将上述冷却后的工件置于沸水槽中进行清洗以去除表面上附着的盐质。经过上述工处理后，渗层深度为18 μ m，工件表面显微硬度为173HV0. I。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
权利要求
1.铝及铝合金二段液体氮化方法，包括如下步骤 1)去除表面氧化膜a.预处理并清洗工件表面； b.第一次浸锌，在室温环境下将预处理并清洗后的所述工件浸入浸锌溶液中进行第一次浸锌，时间50 70s ； c.水洗，用水清洗经第一次浸锌后的所述工件； d.退锌，将经水洗后的所述工件在室温下浸入硝酸水溶液中退锌； e.第二次浸锌，在室温环境下将经退锌的所述工件浸入浸锌溶液中进行第二次浸锌，时间25 35s ； f.水洗吹干，用水清洗经第二次浸锌后的所述工件并吹干或晾干； 2)表面氮化 a.熔化浴盐将浴盐分别放入一段氮化坩埚炉和二段氮化坩埚炉，加热使所述浴盐熔化； b.预热工件将经去除表面氧化膜后的所述工件置250-350°C条件下预热30-50min； c.一段氮化将经预热的所述工件放入所述一段氮化坩埚炉内进行一段氮化，温度550-570°C，时间 1-2 h ； d.二段氮化将经一段氮化的所述工件放入所述二段氮化坩埚炉内进行二段氮化，温度 590-610°C，时间 2-3 h ； e.冷却将二段氮化后的所述工件冷却至室温； f.清洗将冷却后的所述工件置于沸水中清洗。
2.根据权利要求I所述铝及铝合金二段液体氮化方法，其特征在于所述浸锌溶液是含有如下成分的水溶液 氧化锌10 30 g/L ； 氢氧化钠50 70g/L ； 酒石酸钾钠50 90g/L。
3.根据权利要求2所述铝及铝合金二段液体氮化方法，其特征在于所述硝酸水溶液为水与硝酸按照体积比1:0. 8 I. I配成的溶液，所述工件浸入该溶液中的时间为6-12s。
4.根据权利要求3所述铝及铝合金二段液体氮化方法，其特征在于所述浴盐按重量百分比由如下物质组成46 48%尿素、38 40%碳酸钠、6 8%氯化钾和6 8%氯化钠。
5.根据权利要求4所述铝及铝合金二段液体氮化方法，其特征在于所述一段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加O. 5 I克。
6.根据权利要求5所述铝及铝合金二段液体氮化方法，其特征在于所述二段氮化过程中，每间隔O. 5小时向浴盐中添加尿素，添加量为每升浴盐加I I. 5克。
7.根据权利要求6所述铝及铝合金二段液体氮化方法，其特征在于所述去除表面氧化膜步骤中的预处理并清洗工件表面过程包含依次进行的化学除油、热水洗、冷水洗、酸浸蚀和水洗的分步骤。
全文摘要
本发明提供铝及铝合金二段液体氮化方法，涉及一种铝及铝合金的热处理方法。该方法包括如下步骤1)去除表面氧化膜，即预处理并清洗工件表面，第一次浸锌，水洗，退锌，第二次浸锌，水洗吹干；2)表面氮化，即熔化浴盐，预热工件，一段氮化，二段氮化，冷却，清洗。采用上述处理方法后，工件渗层深度为8.1～22μm，工件表面显微硬度为纯铝46.5～72HV0.1，铝合金79～182HV0.1。本发明铝及铝合金二段液体氮化方法克服现有技术的不足，氮化层均匀，成本低，且工艺简单易行。
文档编号C23C8/48GK102912285SQ20121042326
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者卢章平, 纪嘉明, 吴晶 申请人:江苏大学