钢的一种快速高效铝-硅-氮复合渗技术的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于对金属零件表面进行改性的技术，特指一种用于提高钢铁材料零件表面耐磨、抗高温氧化及耐蚀性能的节能高效制备招-娃-氮复合渗层的方法。
技术背景
[0002]粉末法铝-硅-氮复合渗通过将铝、硅、氮三种元素渗入钢铁材料零件表层，形成具有很高硬度与耐磨性及抗高温氧化和抗腐蚀综合能力的铝-硅-氮复合渗层，从而能够提高许多在摩擦、磨损及高温氧化环境下使用的钢铁零部件的使用寿命。
[0003]铝-硅-氮复合渗一般由铝-硅共渗和渗氮两段工艺构成。铝-硅共渗在钢铁零部件表层形成铝-硅共渗层，能够大幅度提高工件的耐蚀性与抗高温氧化性能；随后的渗氮在铝-硅共渗层中形成弥散或连续分布的高硬度、高稳定的AlN及铁的氮化物，能显著提高渗层的硬度、耐磨性。
[0004]在传统粉末法招-娃-氣复合渗中，无论是招_娃共渗阶段招、娃的渗入，还是渗氣段氮的渗入，铝、硅和氮向被渗零件内部扩散的速度较慢足影响快速形成较厚渗层的主要原因，提高加热温度是传统工艺加快渗速的主要手段，尤其是对铝、硅的渗入。另外，影响渗箱内形成活性需渗入原子或含需渗入元素的活性基团的外在因素主要是处理加热温度，活性原子、基团扩散至被渗零件表面也仅依靠热扩散来达到，加热温度若不高，则不利于被渗零件表面快速获得需渗入元素。但高的加热温度不仅能耗高，还会降低材料基体的机械性能。因此，传统粉末法铝-硅-氮复合渗不仅铝-硅共渗段的加热温度很高，能耗高、渗扩效率较低，渗层质量也不理想。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服传统粉末法铝-硅-氮复合渗技术的不足之处，提供一种新的高效、节能铝-硅-氮复合渗技术。本技术通过下列技术方案来实现
[0006]在铝-硅共渗阶段，通过在密封渗箱中设置一对平行电极，通过平行电极对渗剂和被渗工件施加交流电场，渗剂由0.5?10%铝粉、98.5?76%碳化硅粉、0.5?4%NH4C1及
0.5?10%木炭粉构成，渗扩加热温度范围700?900°C，电场电流范围为I?6A，保温时间2?6小时;保温结束后，炉冷渗箱至室温，取出工件，进行下一阶段的渗扩处理。
[0007]在渗氮阶段，通过在密封渗箱中的平行电极对渗剂和被渗工件施加交流电场，采用高含氮量粉末渗氮剂进行渗氮。高活性高含氮渗氮剂由40?80%尿素、59.9?18%富氮木炭粉和0.1?2%NH4C1构成，渗氮加热温度范围450?650°C，电场电流范围为0.2?4A，保温时间2?6小时;保温结束后，炉冷渗箱至室温，取出工件，完成铝-硅-氮复合渗。
[0008]渗氮所用的富氮木炭粉的制备工艺为:将粉末状木炭与尿素密封于渗罐，其中尿素含量40%?80%，余量为木炭，在450°C_650°C加热保温I?6小时后，缓冷至室温，开罐取出木炭粉，从而制得不同含氮量的富氮木炭粉。
[0009]本发明的主要优点在于克服了常规粉末法铝-硅-氮复合渗渗剂单纯依赖电炉加热分解产生活性铝、硅、氮原子而造成的一系列不足，利用交流电场的物理作用促进渗剂的分解与渗剂间的化学反应，大幅度增加活性铝、硅、氮原子的浓度与活性，从而提高渗剂的利用率，加快渗速，降低渗扩处理温度;利用廉价NH4Cl活化铝-硅共渗后工件表面，清除表面钝化膜，促进氮与先前渗入的Al反应及氮的深入渗入;利用交流电磁场的感应作用及交流电的“集肤”效应增加被渗零件表层供铝、硅、氮扩散的通道，加快铝、硅、氮向被渗零件内部的扩散，提高渗速，还避免了铝-硅共渗阶段铝在表层的富集，从而使得复合渗层不仅更厚，获得高的硬度，另外共渗层硬度曲线分布更为合理，机械性能更佳。
[0010]采用远低于现行常规粉末法铝-硅所用的处理温度，运用本技术也能得到满足使用要求厚度、并比常规工艺所得渗层性能更佳的铝-硅-氮复合渗层。本技术具有提高生产效率、节约能源、降低生产成本等优点。
【具体实施方式】
[0011]实施例1
[0012]被渗材料为:45钢;铝-硅共渗剂组成:供铝剂(铝粉，含量为2%)、活化剂(氯化铵，含量为I % )、疏松剂(木炭，含量为I % )、填充剂、供硅剂(绿色碳化硅，含量为96 % );氮化剂组成:供氮剂(工业尿素，含量为40 % )、填充剂兼供氮剂(富氮木炭，含量为60 % )。
[0013]先进行铝-硅共渗段处理:将样品置于渗箱中两个平行的板状电极之间，两电极分别由导线联接在一个电压在O?250伏范围连续可调的50Hz交流电源上，电极和样品与铝-硅共渗剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中从室温升至800°C，在两极间施加电流为2A的交流电流，保温4小时，炉冷至室温，取出样品。
[0014]然后进行渗氮段处理:将铝-硅共渗后样品置于铝-硅共渗段一样的装置中，填入氮化剂，密封后在热处理炉中从室温升至580°C，在两极间施加电流为IA的交流电流，保温4小时，炉冷至室温，取出样品。
[0015]处理结果:样品表层获得200μπι的铝-硅-氮复合渗层，表层硬度达HV800以上，由表至里，复合渗层中硬度在HV400以上部分深达150μπι。
[0016]实施例2
[0017]被渗材料为:45钢;铝-硅共渗剂组成:供铝剂(铝粉，含量为2%)、活化剂(氯化铵，含量为I % )、疏松剂(木炭，含量为I % )、填充剂、供硅剂(绿色碳化硅，含量为96 % );氮化剂组成:供氮剂(工业尿素，含量为40%)、活化剂(氯化铵，含量为2%)、填充剂兼供氮剂(富氮木炭，含量为58%)。
[0018]复合渗方法及装置同实施例1。铝-硅共渗段温度800°C、保温时间4小时、电场电流为2A;渗氮段温度550°C，电场电流为0.5A、保温时间2小时。
[0019]处理结果:样品表层获得200μπι的铝-硅-氮复合渗层，表层最高硬度达HVllOO以上，由表至里，复合渗层中硬度在HV400以上部分深达60μπι。
[0020]实施例3
[0021]被渗材料为:45钢;铝-硅共渗剂组成:供铝剂(铝粉，含量为2%)、活化剂(氯化铵，含量为I % )、疏松剂(木炭，含量为I % )、填充剂、供硅剂(绿色碳化硅，含量为96 % );氮化剂组成:供氮剂(工业尿素，含量为40%)、活化剂(氯化铵，含量为1%)、填充剂兼供氮剂(富氮木炭，含量为59%)。
[0022]复合渗方法及装置同实施例1。铝-硅共渗段温度800°C、保温时间4小时、电场电流为2A ；渗氮段:550°C、保温2小时+600°C、保温2小时，电场电流为0.5A。
[0023]处理结果:样品表层获得200μπι的铝-硅-氮复合渗层，表层硬度达HV1000以上，由表至里，复合渗层中硬度在HV400以上部分深达90μπι。
【主权项】
1.一种对钢进行节能、高效、快速铝-硅-氮复合渗的方法，其特征是:先将工件与铝-硅共渗剂密封于渗罐中，在700-900°C加热保温，通过在渗罐内施加交流电场，对钢进行交流电场增强粉末法铝-硅共渗，交流电场电流为I?6A，保温时间2?6小时，获得表层无富铝相Al5Fe3、AlFe2的铝-硅共渗层;然后对铝-硅共渗件进行交流电场增强粉末法强化渗氮，渗氮温度范围为500°C_650°C，交流电场电流为I?6A，保温时间2?6小时，从而获得铝-硅-氮复合渗层。2.实现权利要求1所述的一种铝-硅共渗剂，渗剂由0.5?10%铝粉、98.5?76%碳化硅粉、0.5?4%順4(:1及0.5?10%木炭粉构成。3.实现权利要求1所述的一种对铝-硅共渗后工件进行第二阶段交流电场增强渗氮时，所用的高活性高含氮粉末渗氮剂。该渗氮剂由40%?80%尿素、0.1?2%NH4C1与富氮木炭粉(余量)构成。4.实现权利要求1所述的一种在对铝-硅共渗后工件进行第二阶段交流电场增强渗氮时，采用高活性高含氮粉末渗氮剂进行渗氮的方法，以进一步提高铝-硅-氮复合渗质量。其特征在于将工件、渗氮剂密封于设置有一对平行电极的渗罐。将高活性高含氮粉末渗氮剂与交流电场结合，提高渗氮速度与质量。5.实现权利要求3所述的一种提高渗氮剂氮含量的方法，其特征在于将用于渗氮的粉末状木炭与尿素密封于渗罐，其中尿素含量40%?80%，余量为木炭，在450°C_650°C加热保温I?6小时后，缓冷至室温，开罐取出木炭粉，从而制得不同含氮量的富氮木炭粉。富氮木炭粉与尿素、NH4Cl均匀混合，得到高氮含量渗氮剂。
【专利摘要】本发明提供了一种在钢表面快速高效复合渗入铝-硅-氮的技术，以提高钢的抗高温氧化性能和耐磨性。其首先在700～850℃下对需处理件进行交流电场增强粉末法铝-硅共渗，获得表层无富铝相的铝-硅共渗层；再对交流电场渗铝后零件，在550℃-600℃范围内，进行交流电场增强粉末法渗氮，在前阶段得到的铝-硅共渗层中形成AlN等氮化物，获得铝-硅-氮复合渗层。较之传统铝-硅-氮复合渗，采用本技术发明，铝-硅共渗段的渗扩温度降低50～200℃，铝-硅-氮复合渗速度可提高1～3倍不等，复合渗层性能提高，渗扩处理能耗降低，同时各分段渗剂的利用率显著提高。
【IPC分类】C23C12/00
【公开号】CN105525255
【申请号】CN201510942959
【发明人】谢飞, 张格
【申请人】常州大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月17日