一种金属连接件表面处理方法与流程

本发明涉及一种表面处理方法，特别涉及一种金属连接件表面处理方法。

背景技术：

金属连接件表面在各种热处理、机械加工、运输的过程中，不可避免地会产生腐蚀、随着油污和杂质等，产生气化现象，这就需要进行表面处理。

金属表面处理有很多种，按照其特性的不同可分为溶剂清洗、机械处理和化学处理三大类；根据不同氧化程度的金属表面，应采用不同的处理方式；如对于较薄的氧化层可采用溶剂清洗、机械处理和化学处理，或者直接采用化学处理，对于严重氧化的金属表面，由于氧化层较厚，如果直接采用溶剂清洗和化学处理，不但处理不彻底，还会浪费大量的清洗剂和化学剂，最好先采用机械处理；溶剂清洗是对使用溶剂对金属表面进行清洗的一种处理方法，该方法可以有效去除工件表面的油污、杂质和氧化层，使工件表面获得清洁；经溶剂清洗后的金属表面具有高度活性，更容易受到灰尘、湿气的污染，所以处理后的工件还要进行喷涂、喷涂等表面处理，提高工件的抗腐蚀能力。

但是，对于金属连接部件（例如螺母、轴承、阀体等）由于在装置中通常承担连接的作用，因此连接部件的可靠性直接关系到产品的质量，如果连接部件在液压系统中泄漏、拔脱，可造成效率降低，油温升高，执行机构不稳定，污染环境等，直接影响设备的正常使用；目前连接部件普遍存在可靠性低、易泄漏等缺陷，急需进行技术改造，对连接部件的表面处理技术进行合理热处理工艺。

技术实现要素：

由于金属连接件经常需要与待连接管件配合，连接处的外径较管件外径大，因此连接处相对于管件外壁更加会产生碰撞和摩擦；由于连接件需要与管件或者其他配件组装配合实现对管件的紧密连接，使接触面或螺旋副间的摩擦力能够防止连接件松动，且能够抵抗管件在输送物料时产生的震动，这样就需要连接件具备一定的金属韧性，也即连接件需要达到外侧具有较高硬度，内部具有较好金属韧性。

金属连接零部件通常小、薄，一般为整体热处理，热处理后不再切削加工；由于工作要求局部形变较大，端口要求硬度高、能收缩且不得出现局部崩裂；因此，此种需求的表面硬度、渗透层的厚度和连接件整体韧性之间的需求存在矛盾，而常用的不锈钢材料的表面硬化处理工艺还不成熟，连接件的外侧具有较高硬度，内部具有较好金属韧性的性质需求得不到很好的保证。

本发明的目的是为了解决背景技术而提出的一种金属连接件表面处理方法，不仅能够使得金属连接件的热处理效率高、处理后形变小，具有广阔的应用前景。

发明人经过研究和试验总结出以下工艺来对金属连接件进行表面处理：

一种金属连接件表面处理方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

1）表面预处理：金属连接件在进入盐浴炉之前，对金属连接件表面的污垢、铁锈以及油脂进行清洗，清洗后，对金属连接件进行干燥；

2）预热：将烘干后的金属连接件放置于空气炉中进行预热，控制预热温度在350～400℃，预热时间20～40min；

3）氮碳共渗盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氮碳共渗盐浴炉进行氮碳共渗处理，在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮碳共渗盐浴炉中加调整盐，以使盐浴中的氰酸根浓度保持在36～40%之间，氮碳共渗盐浴温度控制在540～580℃，时间30～180min；

4）氧化盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氧化盐浴炉进行氧化处理，氧化盐浴温度控制在350～400℃，盐浴时间15～30min；

5）冷却处理：将氧化盐浴后的金属连接件置于工件架中在室温下进行空冷；

6）表面抛光处理：将氧化盐浴后的金属连接件通过抛光机进行抛光处理；

7）再次表面氧化处理：将抛光后的金属连接件再次放置于氧化盐浴炉进行氧化处理，氧化盐浴温度控制在温度380～420℃之间，时间10～30min；

8）涂油：将金属连接件放置于在热机油中浸泡20min，用以密封氧化层孔隙。

作为本发明更进一步的限定，步骤1）中，表面预处理方式具体为采用80～90℃的热水或含1.5～3%碳酸钠的水溶液对金属连接件表面的污垢、铁锈以及油脂进行清洗，清洗后，采用自然干燥、压缩空气吹干或者100～150℃烘干的方式对金属连接件进行干燥。

作为本发明更进一步的限定，步骤3）中氮碳共渗盐浴处理采用基盐，其中含cno^-40～45%，通过加入调整盐，调整cno^-浓度在36～40%之间；氮碳共渗盐浴炉采用外热式坩埚熔炉，功率6kw，温度控制精度±5℃，采用持续通气，通气量为7～9l/min，以减少cn^-浓度、提高cno^-浓度，加强盐的稳定性和流动性，均匀炉内盐液的温度。

作为本发明更进一步的限定，步骤3）中氮碳共渗盐浴温度控制在560℃，时间120min。

作为本发明更进一步的限定，步骤4）中氧化盐浴温度控制在360℃，盐浴时间20min。

作为本发明更进一步的限定，步骤7）中再次表面氧化处理的氧化盐浴温度控制在温度400±5℃之间，时间20min。

本发明的有益效果是:

1、预处理后进行预热可以烤干金属连接件表面的水分，使冷的金属连接件升温后再入盐浴炉，以防金属连接件带水入盐浴炉引起盐浴溅射和防止冷的金属连接件入炉后盐浴温度下降过多；同时预热对减少金属连接件的形变和获得色泽均匀的外观也有一定作用。

2、该热处理工艺可以使金属连接件形变量极小，同时又可以大幅度提高金属连接件表面的耐磨性、抗蚀性，现有气体软氮化和离子渗氮基本上都可以用该盐浴复合处理技术来代替，而且可以大为提高金属连接件的耐磨性和抗蚀性，其抗蚀性可达到电镀的水平，其耐磨性比发黑处理高出百倍、海水防腐试验寿命比发黑处理的零件提高几十倍。

3、金属连接件浸入盐浴后，氰酸根分解产生的n、c原子可在在fe原子的点阵间隙中进行扩散，随着表面原子浓度的提高，最终由工件表面向中心形成n、c的浓度梯度，形成化合物层和扩散层组成的渗层组织；因此，处理后的金属连接件的渗层组织由三层构成：外表为氧化层，中间为化合层，向内为扩散层；渗层组织中以化合物层最为重要，它是提高耐磨性最主要的部分，同时它的抗蚀性也很好；氧化层的主要作用是与化合层一起构成极好的抗蚀层，同时氧化层处于多孔状态，可以存储润滑液，减少摩擦，对提高耐磨性有利，同时还有美化外观的作用；扩散层主要作用是提高工件的疲劳强度，对增加细、薄的金属连接件的整体强度和弹性也有很大的作用。

附图说明

图1是本发明提出的金属连接件表面处理方法的不同温度下的金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进一步说明。

实施例一

一种金属连接件表面处理方法，依次包括如下步骤：

1）表面预处理：金属连接件在进入盐浴炉之前，采用80～90℃的热水或含1.5～3%碳酸钠的水溶液对金属连接件表面的污垢、铁锈以及油脂进行清洗，清洗后，采用自然干燥、压缩空气吹干或者100～150℃烘干的方式对金属连接件进行干燥；

2）预热：将烘干后的金属连接件放置于空气炉中进行预热，控制预热温度在350～400℃，预热时间20～40min；

预热的主要作用是烤干金属连接件表面的水分，使冷的金属连接件升温后再入盐浴炉，以防金属连接件带水入盐浴炉引起盐浴溅射和防止冷的金属连接件入炉后盐浴温度下降过多；同时预热对减少金属连接件的形变和获得色泽均匀的外观也有一定作用。

3）氮碳共渗盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氮碳共渗盐浴炉进行氮碳共渗处理，在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮碳共渗盐浴炉中加调整盐，以使盐浴中的氰酸根浓度保持在36～40%之间，氮碳共渗盐浴温度控制在540℃，时间30～180min；

氮碳共渗盐浴处理的作用是将浴盐中氰酸根的分解而产生的活性氮、碳原子渗入金属连接件，在金属连接件表面形成耐磨性和抗蚀性很高的化合物层和耐疲劳的扩散层。

基盐：主要成分为尿素、碳酸钠和碳酸钾，另外加入适量的氯化钾或氢氧化钾。基盐在氮碳共渗盐浴炉内熔化后形成高含量的氰酸根（cno^-），通入空气搅拌后，氰酸盐直接分解或被氧化，生成活性n、c原子，[n]、[c]是碳氮共渗的主要元素。

调整盐：在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮化炉加调整盐，以使盐浴中的氰酸根含量上升到规定的指标范围之内。调整盐的主要成分为有机缩合物，可将co3转变为cno^-。其表达式为：aco3+bz1=xcno^-+zh20。

4）氧化盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氧化盐浴炉进行氧化处理，氧化盐浴温度控制在350～400℃之间，盐浴时间15～30min；

氧化盐浴处理的作用--是彻底分解金属连接件从氮碳共渗盐浴炉带出来的氰根，达到环保要求；二是在金属连接件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力和金属连接件的耐磨性。

氧化盐：氧化盐在开始处理的初期加入到氧化炉中熔化以后即进行氧化盐浴处理，当盐浴面下降较多时，继续向氧化盐浴炉中加入氧化盐以升高盐浴面。

5）冷却处理：将氧化盐浴后的金属连接件置于工件架中在室温下进行空冷；

冷却的作用是使处理后的金属连接件的渗层均匀致密并增加扩散层深度，同时分解粘附在金属连接件表面上的cn^-。

6）表面抛光处理：将氧化盐浴后的金属连接件通过抛光机进行抛光处理；

表面抛光处理的作用是去除金属连接件部分凸起表面，使二次氧化后金属连接件表面的氧化膜产生拉应力的可能性减小，提高金属连接件的抗腐蚀性能。

7）再次表面氧化处理：将抛光后的金属连接件再次放置于氧化盐浴炉进行氧化处理，氧化盐浴温度控制在温度380～420℃之间，时间10～30min；

再次表面氧化处理的作用是给抛光后的金属连接件的表层补充含氧量，修复因抛光而被破坏的氧化膜。

8）涂油：将金属连接件放置于在热机油中浸泡20min，用以密封氧化层孔隙。

其中，氮碳共渗盐浴处理采用基盐，通过加入调整盐，调整cno^-浓度在36～40%之间；氮碳共渗盐浴炉采用外热式坩埚熔炉，功率6kw，温度控制精度土5℃，采用持续通气，通气量为7-9l/min，以减少cn^-、提高cno^-，加强盐的稳定性和流动性，均匀炉内盐液的温度。

实施例二

步骤3）氮碳共渗盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氮碳共渗盐浴炉进行氮碳共渗处理，在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮碳共渗盐浴炉中加调整盐，以使盐浴中的氰酸根浓度保持在36～40%之间，氮碳共渗盐浴温度控制在560℃，时间30～180min。

实施例三

步骤3）氮碳共渗盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氮碳共渗盐浴炉进行氮碳共渗处理，在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮碳共渗盐浴炉中加调整盐，以使盐浴中的氰酸根浓度保持在36～40%之间，氮碳共渗盐浴温度控制在580℃，时间30～180min。

参见图1，通过对比实施例一、二、三的金相组织图，当共渗120min时，发现金属连接件表面处理方法的不同温度下（540℃、560℃、580℃）随着共渗温度的升高，渗层中化合层深的变化趋势如下：当温度从540℃度升高至560℃，化合层的深度逐渐增加，但是当温度继续升高至580℃后，化合层的深度反而有所下降，而且疏松层厚度增加明显；所以共渗温度在560℃是效果最好的。

因此，作为优选的技术方案，所述步骤3）中氮碳共渗盐浴温度控制在560℃，时间120min。

步骤4）中氧化盐浴温度控制在360℃，盐浴时间20min；步骤7）中再次表面氧化处理的氧化盐浴温度控制在温度400±5℃之间，时间20min。

该热处理工艺可以使金属连接件形变量极小，同时又可以大幅度提高金属连接件表面的耐磨性、抗蚀性，现有气体软氮化和离子渗氮基本上都可以用该盐浴复合处理技术来代替，而且可以大为提高金属连接件的耐磨性和抗蚀性，其抗蚀性可达到电镀的水平，其耐磨性比发黑处理高出百倍、海水防腐试验寿命比发黑处理的零件提高几十倍。

在实际使用中，对于一般的金属连接件，只要按照企业提供的工艺一般容易达到要求，工件渗层厚0.1mm以上，滲层最高硬度大于hv900，达到耐磨性和抗蚀性的要求；而薄壁零件，且要求保持足够韧性，工件渗层厚0.03～006mm合适，渗层硬度也要小些，但开口硬度要达到能够切入不锈钢管，因此渗层硬度hv700-900较合适；所以工艺上就有其独特的要求，操作中必须严格规范。

金属连接件浸入盐浴后，氰酸根分解产生的n、c原子可在在fe原子的点阵间隙中进行扩散，随着表面原子浓度的提高，最终由工件表面向中心形成n、c的浓度梯度，形成化合物层和扩散层组成的渗层组织；因此，处理后的金属连接件的渗层组织由三层构成：外表为氧化层，中间为化合层，向内为扩散层；渗层组织中以化合物层最为重要，它是提高耐磨性最主要的部分，同时它的抗蚀性也很好；氧化层的主要作用是与化合层一起构成极好的抗蚀层，同时氧化层处于多孔状态，可以存储润滑液，减少摩擦，对提高耐磨性有利，同时还有美化外观的作用；扩散层主要作用是提高工件的疲劳强度，对增加细、薄的金属连接件的整体强度和弹性也有很大的作用。

渗层质量的考虑因素及控制方式：盐浴处理的金属连接件质量好坏主要取决于渗层是否达到技术要求，工艺的关键是各种参数保证渗层的需要，而决定渗层的主要因素是氮碳共渗、氧化盐浴的温度，氮碳共渗、氧化盐浴的时间，氮碳共渗盐浴中的氰酸根含量和基体材料四个因素。

第一，温度的控制：温度主要根据基体材料的种类来决定，其次要考虑金属连接件的强度要求；温度太低，不能形成足够深度的渗层；温度太高，疏松层严重，温度超过回火温度则会降低基体的硬度；经实验，不锈钢的金属连接件采用560℃，是较合适的盐浴温度。

第二，时间的控制：时间的长短主要取决于金属连接件的种类及金属连接件使用条件而定；时间太短，不能形成足够深度的渗层，时间过长则疏松严重；经实验，不锈钢金属连接件的保温时间为120min。

第三，cno^-浓度的控制：处理以提高耐磨性为主的工件，cno^-应为33～36%；处理以提高缓解摩擦、抗擦伤、抗咬死性能为主，并兼有提高耐磨、抗疲劳性能的工件时cno^-应为36～40%；处理缓解摩擦、耐磨、抗疲劳等综合性能同等重要的工件时，cno^-应为34～38%；经实验，对于不锈钢的金属连接件，cno^-含量36～38%，韧性能达到要求。

对不锈钢金属连接件进行渗层深度、表面硬度、内部硬度测试，将不锈钢金属连接件的管径通过液压机挤压至1/2直径，观察外观是否开裂，测量形变情况，下表1给出了三种规格不锈钢金属连接件的工艺参数及检测结果。

表1不锈钢金属连接件氮碳共渗盐浴检测结果对比

可见，渗层深度0.055mm左右较合适，最大不超过0.7mm，表面硬度600-800hv较合适，最好700hv以上；后又经多次试验证实，口径小，壁厚尺寸小的不锈钢金属连接件，应使其渗层稍浅，且保证表面硬度hv650以上，则氮碳共渗盐浴处理时cno^-为36%为宜；口径大，壁厚尺寸大的不锈钢金属连接件，可使其渗层稍厚，目保证表面硬度hv700以上，氮碳共渗盐浴处理时cno^-为38%；这样既保证开口表面硬度又保持整体的硬度，且避免表面疏松、起皮，达到不锈钢金属连接件的开口的硬度和内部韧性较佳匹配。

本发明通过对金属连接件的表面进行预处理、预热、盐浴处理、氧化、冷却、表面抛光、再次表面氧化和涂油等一系列处理，能够使金属连接件形变量极小，同时又可以大幅度提高金属连接件表面的耐磨性、抗蚀性，达到外侧具有较高硬度，内部具有较好金属韧性的良好应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。