专利名称：钛催化渗氮工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钛催化渗氮工艺，特别是用于黑色金属渗氮处理的工艺技术。
目前黑色金属工件的液体软氮化硬度较低，渗氮层浅，就普通碳素钢而言，在600℃ 2小时处理后，表面硬度仅为(HV100g)500～600，其硬化层(白亮层)仅为20微米以下且脆性大。对于合金钢(如高速钢、模具钢)虽然能达到HV1000左右的硬度，但使用寿命仅能提高一倍左右。因为脆性大，所以使用寿命不理想。更谈不上使用低价材料代替高价材料的问题。
本发明目的是提供一种渗氮层深，提高其表面硬度，延长工件使用寿命，甚至采用低价材料(如碳素钢)代替高价材料(如高速钢，模具钢)的钛催化渗氮工艺。
本发明的目的可按下述技术方案来实现本发明主要是真对黑色金属的渗氮加工，提供一种新工艺技术，它包括二大部分一是先镀钛棒，得到渗氮的钛催化剂，再用钛催化剂促进对工件进行渗氮，而达到更先进更理想的效果。
可通过水溶液电镀钛法或干式离子镀钛法，获得钛的纯金属和钛的低价氧化物为催化剂。
(一)、水溶液电镀钛法溶液的成份为三氯化钛(15％)5～50毫升/升酒石酸5～150克/升柠檬酸3～50克/升葡萄糖5～30克/升草 酸30～50克/升甘 油10～50克/升双氧水50～100毫升/升再加入氢氧化钠5％或氢氧化钾5％或氢氧化铵调整PH7.5～12，再加入阿拉伯树胶或明胶5～20克/升，作为分散剂及纯水或自来水组成，温度10～40℃，时间15～60分钟，电流密度1～3.5安培/分米2，以石墨或海棉钛为阳极，将碳素钢棒放入电镀液中作为载体，将其镀上钛的纯金属和钛的低价氧化物。
渗氮是将碳素钢棒用清洗剂在常温除油，自来水清洗，盐酸常温浸洗、水洗镀钛、镀锌、水洗、擦干，得到已镀钛的钢棒称为钛棒。在600℃以上将钛棒加入井式炉渗氮盐液中保持半小时以上，使钛挥发进入盐液中，使其达到足够的含量0.5/万～4/万，这一程序关系到盐的配比，可有两个配方；盐的配方(一)尿素30～50％，碳酸钾或碳酸钠25～35％，氯化钠或氯化钾25～35％或者用白块34％，碳酸钾或碳酸钠33％，氯化钠或氯化钾33％，使用中分析成份为氰酸根9～21％，氰根1.5～5％、碳酸根3～12％氯根27～30％、钛含量在0.5/万以上，氰根在0.6％以上便有明显效果。
盐的配方(二)尿素55～65％、碳酸钠或碳酸钾35～45％或用白块49～53％，碳酸钠或碳酸钾47～51％，使用中分析盐成分氰酸根3～9％氰根13～20％，碳酸根16～26％，如果氰根在24％以上和碳酸根30％以上过高，盐液不稳定变稠，凝点升高，为此加入适量中性盐(氯化钾或氯化钠)。白块配的盐比较稳定，且能调整使用中盐的成份。
最佳参数的确定如钛催化剂加入量；处理温度；时间及盐的成份和各种不同材质工件的处理参数的确定，可采用下列方法优选确定，并可使生产始终保持在最佳状态。
盐中钛含量的分析在配方(一)中为0.5/万以上，配方(二)中的为1/万～4/万。
盐成份的分析氰酸根、氰根、碳酸根、氯根。放入与工件同材质的试片以硬度和金相分析确定。
将待渗氮的工件用清洗剂除油，自来水洗、盐酸洗、水洗、含低浓度纯碱的90℃以上的热水烫干，然后在150～200°预热，(工件预热时间以达到恒温止)。渗氮后在含有纯碱碱性及低浓度甲醛的溶液中清洗水冷或空冷，250℃1小时回火即为成品。
(二)干式离子镀钛的氮化工艺是将碳素钢棒先布轮机械抛光，干净布类沾洒精擦洗干净，进行离子镀3小时常温镀钛，厚度2～3微米，而获得钛棒。
渗氮是将上述钛棒，在600℃以上加入井式炉渗氮盐液中保持半小时以上，使钛挥发进入盐液中，使其达到足够的含量，这一程序关系到盐的配比，可有两个配方(盐的配方(一)和(二)与同上述水溶液电镀钛法的中配方相同)。将待渗氮的工件用清洗剂除油，自来水洗，盐酸洗、水洗含低浓度纯碱的90°以上的热水烫干，然后在150～200℃预热(工件预热时间以达到恒温止)。渗氮后在含有纯碱碱性及低浓度甲醛的溶液中清洗水冷或空冷，250℃1小时回火即为成品。
最佳参数的确定如钛催化剂加入量，处理温度，时间及盐的成份和各种不同材质工件的处理参数的确定，可采用下列方法优选确定，并可使生产始终保持在最佳状态。
盐中钛含量的分析0.5/万～4/万。
盐成份的分析氰酸根、氰根、碳酸根、氯根。放入与工件同材质的试片以硬度和全相分析确定。
本发明与背景技术相比，由于工艺中有获得钛为催化剂的纯金属或钛的低价氧化物的水溶液电镀钛法或离子镀钛法，可使氮化层深度增加半倍到一倍，硬度提高HV400～600，尤其处理工模具类合金钢可提高使用寿命2～10倍以上，合金钢硬度提高1000以上，能实现以低价材料代替高价材料，即用普通碳素钢代替高速钢及模具钢等。降低了生产成本，提高了产品性能。
图1是钛催化渗氮工艺方案(一)。
图2是钛催化渗氮工艺方案(二)。
钛催化渗氮工艺方案(一)水溶液电镀钛程序钢棒→洗涤剂除油→水洗→盐酸浸洗→水洗→镀钛→镀锌→水洗→擦干→得到钛棒→渗氮盐炉(按配方1或2将盐液化验达到要求)；渗氮程序待渗氮工件→除油→水洗→酸浸洗→水洗→烫干→预热→渗氮盐炉→渗氮→将经过空冷或水冷清洗的工件(将用过的清洗液分析排放，同时将用过的钛棒重新水溶液电镀钛)→进行回火处理→得到成品。
钛催化渗氮工艺方案(二)离子镀钛程序碳钢棒→机械抛光→擦洗干净→离子镀钛→渗氮盐炉(按盐料配方1或2，将盐液化验达到要求)；渗氮程序将渗氮的工件→除油→水清洗→酸浸洗→水洗→烫干→预热→进入渗氮盐炉→渗氮→空冷或水冷清洗(洗液调整分析排放)→回火→成品(同时将用过的钛棒重新镀钛以备再用)。
下面将结合工艺程序具体描述
具体实施例方式实施例1渗氮工件为Φ10高速钢钻头(淬火回火后)数量13把其原表面硬度HV100g850，3Cr2W8V冲头(淬火回火后)数量10个，原表面硬度HV100g750。
催化剂钛的获得采用水溶液电镀法槽液成分(总量10升)
三氯化钛(15％)50毫升/升酒石酸50毫升/升双氧水50毫升/升氢氧化钠(5％)调PH 9～12纯水加至总体积10升工艺过程按上述将45#钢棒(Φ10×200毫米一端有一横向孔Φ3吊挂导线)用清洗剂除油(无油可免)在1∶1盐酸中浸约10分钟水洗后挂于阴极上，槽液保持30℃，电流密度3安培/分米2，石墨阳极，镀钛20分钟后立即镀锌(采用普通碱性镀锌，电流密度2安培/分米2，20秒钟左右，水洗擦干(用干净布类)备用。镀钛厚度0.5～3微米。
渗氮盐原料配比尿素40％，碳酸钾30％，氯化钠30％，混匀在A3坩锅中熔化。使用中盐的分析成分氰酸根12％，氰根2％，碳酸根8％，氯根29％，盐量5kg。钛棒在炉温600℃加入15根，时间1小时取出空冷后水洗，废钛棒可重复使用。盐中含钛量0.6/万。
按上述工艺将工件用清洗剂除油，自来水清洗，再1∶1盐酸中常温浸洗10分钟，水洗烫干(含约2％纯碱95℃放入2分钟取出的自然干燥)，预热(180℃另一个预热炉中至恒温止)放入含有钛催化剂的渗氮盐液中600℃(钻头保温30分钟，冲头2小时)空冷清洗(槽液中含纯碱和甲醛稀溶液保持碱性甲醛有余量)残盐洗掉后取出。250℃另一炉中保温回火1小时即为成品。清洗液以纯碱和甲醛调整达标排放。通风的出风口按装一进口处，设有喷雾装置的旋风分离器也以同槽溶液喷雾循环的炉废气充分吸收破坏氰化物使废气排放达标。
渗氮后高速钢钻头表面硬度HV100g 1400～1600，实际使用寿命提高4倍。3Cr2W8V冲头表面硬度HV100g1300～1500使用寿命提高7倍。
实施例2渗氮工件45#钢试片(Φ25×3毫米距边4毫米有一Φ3透孔系导线一根，原表面硬度HV100g210)三片和20#钢Φ5钻头3根(表面硬度HV100g180)。
钛催化剂以水溶液电镀法获得槽液成分(槽液总量10升)三氯化钛(15％) 50毫升/升甘 油 20毫升/升柠檬酸 10克/升双氧水 50毫升/升氢氧化钠(5％)调PH 9～12阿拉伯树胶 10克/升以自来水补充至10升。
镀钛与渗氮工艺按上述工艺，将45#钢棒(Φ10×200)经清洗剂除油，1∶1盐酸浸洗30分钟，自来水洗，镀钛(槽液30℃，电流密度3安培/分米2，海棉钛为阳极30分钟，立即镀锌(普通碱性镀锌)电流密度2安培/分米230秒钟左右，水洗擦干(干净布类)备用。钛层厚度0.5～6微米。
渗氮盐原料比例白块49％碳酸钠51％使用中盐分析成分氰酸根3～6％，氰根14～16％，碳酸根20～25％，按上述工艺将渗氮工件清洗除油，自来水洗，1∶1盐酸浸洗10分钟，水洗，烫干(含2％纯碱93℃3分钟取出)自然干燥，预热(另一炉中185℃至恒温)将钛棒100根放入630℃钛质坩锅盐液中，保温45分钟取出空冷，清洗(废棒可重复使用)，盐中含钛量1.3/万。经180℃预热的试片和钻头放入620℃盐中保温2小时，水冷并清洗除残盐(槽液中以纯碱维持碱性稀甲醛溶液)，250℃回火1小时即为成品。通风口设一进口有喷雾装置的旋风分离器循环有清洗槽液，只要控制槽中有余量的甲醛和碱性工件上及废气中氰化物即可完全消除达标。
渗氮后45#钢试片表面硬度HV100g1203，氮化层化合物层(暗层)110微米。
渗氮后Φ5，20#钢钻头表面硬度(HV100)1280，钻削退了火的不锈钢板(1Cr18Ni9Ti)3根平均钻孔28个(而高速钢平均钻31孔)。
实施例3渗氮工件45#钢试片三片，表面硬度HV100g 210(Φ25×3毫米距边4毫米设Φ3孔)钛催化剂以离子镀获得按上述工艺将45#钢(Φ10×200毫米棒一端有Φ3透孔)先用布轮机械抛光，干净布类沾酒精擦洗干净，进行离子镀3小时常温镀钛，厚度3微米。
盐原料配比白块50％碳酸钠40％碳酸钾10％，A3坩锅使用中盐分析成分氰酸根4～6％氰根13～14％碳酸根20～22％，在620℃将钛棒150根加入盐液中保温1小时取出空冷，水洗碱液(水中含有纯碱和甲醛稀溶液，此液依使用程度可分析达标排放)重复使用。盐共5kg，钛含量1.2/万。
按上述工艺将试片清洗剂除油，水洗，1∶1盐酸浸10分钟，水洗，烫干(2％纯碱液95℃浸入2分钟取出自然干燥)，预热(183℃5分钟)。渗氮(620℃2小时)后水冷及清洗(含纯碱和甲醛稀液溶液)，250℃回火1小时，在通风口设一喷雾装置的旋风分离器，可使工件清洗水及废气达标排放。
渗氮后试片表面硬度(HV100g)1050，化合物层50微米。
权利要求
1.一种钛催化渗氮工艺，其特征是获得催化剂为钛的纯金属或钛的低价氧化物的水溶液电镀钛法或离子镀钛法，一、水溶液电镀法水溶液电镀钛法溶液的成份三氯化钛(15％)5～50毫升/升酒石酸5～150克/升柠檬酸3～50克/升葡萄糖5～30克/升草 酸30～50克/升甘 油10～50克/升双氧水50～100毫升/升再往上述溶液中加入氢氧化钠5％或氢氧化钾5％或氢氧化铵调整PH7.5～12，再加入阿拉伯树胶或明胶5～20克/升，作为分散剂及纯水或自来水组成，温度10～40℃，时间15～60分钟，电流密度1～3.5安培/分米2，以石墨或海棉钛为阳极，将碳素钢棒放入电镀液中作载体，将其镀上钛的纯金属和钛的低价氧化物；渗氮是将碳素钢棒用清洗剂常温下除油，自来水清洗，盐酸常温浸洗，水洗、镀钛、镀锌、水洗擦干，得到已镀钛的钢棒称为钛棒，在井式炉中，600℃以上钛棒加入渗氮盐液中，保持半小时以上，使钛挥发进入盐液中，使其达到足够的含量0.5/万～4/万，将待要渗氮的工件清洗剂除油，自来水洗、盐酸洗、水洗、含低浓度纯碱90℃以上的热水烫干，150～200℃预热后进行渗氮。在含有纯碱的碱性及低浓度甲醛溶液中清洗水冷或空冷。250℃ 1小时回火，即为完成氮化成品。
2.根据权利要求1所述的钛催化渗氮工艺，其特征是所说干式离子镀钛获得钛催化剂是将碳素钢棒以布轮机械抛光，用布类酒精擦洗干净，进行常温离子镀钛得到钛棒；渗氮原料为尿素，白块(尿素在玻璃容器中加热150℃以上形成的白色固体)为氮源，碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂为碱源，氯化钠、氯化钾等中性盐，将这些原料以氮源的一种和碱源的一种或两种以上或加有中性盐按比例混合，在A3或钛坩锅中溶化生成一透明渗氮盐液，当600℃以上半小时以上加入钛催化剂时，钛可挥发进入盐液中呈胶溶状态，其速度和含量与炉温及氰根的增加而增加。
3.根据权利要求1或2所述的渗氮工艺，其特征在于所说盐的配比尿素30～50％，碳酸钾或碳酸钠25～35％，氯化钠或氯化钾25～35％或用白块34％，碳酸钾或碳酸钠33％、氯化钠或氯化钾33％，使用中分析成分为氰酸根9～21％，氰根1.5～5％，碳酸根3～12％，氯根27～30％，钛含量在0.5/万以上。
4.根据权利要求1或2所述的渗氮工艺所说盐的配比，其特征在于尿素55～65％，碳酸钠或碳酸钾35～45％或用白块49～53％碳酸钠或碳酸钾47～51％，使用中分析盐成分氰酸根3～9％、氰根13～20％、碳酸根16～26％，如果氰根在24％以上和碳酸根30％以上过高，盐液不稳定变稠、凝点增高，为此加入适量中性盐(氯化钾或氯化钠)。
全文摘要
本发明涉及钛催化渗氮工艺,适用于黑色金属渗氮处理技术。它是先将碳素钢棒,通过水溶液电镀法或离子镀法获得钛的纯金属和钛的低价氧化物为催化剂的钛棒。再将此钛棒在600℃以上加入井式炉渗氮盐液中,保持半小时以上,使钛挥发进入盐中,使其达到0.5/万－4/万进行工件氮化处理。与现有技术相比,氮化层深增加1倍以上,表面硬度提高HV400～600,延长工件的使用寿命2～7倍。实现了可用普通碳素钢代替高速钢或模具钢,降低生产成本,提高产品质量。
文档编号C23C8/24GK1272555SQ9911289
公开日2000年11月8日 申请日期1999年4月30日 优先权日1999年4月30日
发明者孔繁梅, 汪荣丽 申请人:孔繁梅