硫氮碳三元共渗适合于什么产品的热处理?

june

硫氮碳三元共渗适合于什么产品的热处理?
冷作\热作\高速钢,还是压铸模\塑胶注射模具呢???

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一、概述

　　工件（经硬化处理后）经渗硫处理后，其表面可形成多孔、松软的由FeS、FeS2组成的极薄的硫化物层，硫化物层可以降低摩擦系数，减少一般摩擦件的磨损，提高抗咬合性，延长使用寿命。渗硫层还能提高象柴油机缸套那样摩擦件的润滑效果，节约燃油、增大功率输出。硫化铁层的持久润滑效果，更能改善象纲领（一种纺织机械零件）那样高速摩擦、磨损件的工作条件，减小温升；其良好的抗咬合性也有利于消除冷冲模具的粘着现象，延长服役期限。即使经过表面强化（如工件经渗硼、渗氮或渗氮碳）的工件，再复合以低温离子渗硫，也可进一步提高使用性。
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6 g1 n  m2 N2 r" @二、硫化物层的特性

　　硫化物层的特殊结构使其具有以下一些特性：

　　1、硫化物为密排六方晶体结构，具有优良的减摩、抗摩作用。
　　2、硫化物层质地疏松、多微孔，有利于储存润滑介质。
　　3、硫化物层隔绝了工件间的直接接触，可有效地防止咬合的发生。
　　4、硫化物层软化了接触面的微凸体，在运动过程中有效避免了硬微凸体对对偶面的犁削作用，并起到削峰填谷作用，增大了真实接触面积，缩短磨合时间。
　　5、硫化物层的存在使接触表面形成应力缓冲区，有效提高抗疲劳能力及承载能力。
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3 R/ h% h) P0 r9 l# z三、可实施离子渗硫的材料

　　可进行离子渗硫的材料种类较多，碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢以及各类硬质合金等均可实施离子渗硫处理。
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5 r( X6 z, T5 x6 N四、离子渗硫工艺中常用的供硫剂
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; s8 k: g% I. m8 k9 r. n2 }　　离子渗硫工艺中常用的含硫介质有二硫化碳（CS2）和硫化氢（H2S）。
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7 o/ ^  N. y. |$ U" ~  I' }/ _( t2 T　　1、二硫化碳（CS2）

+ n2 O# [% J9 l9 {6 z  R　　二硫化碳（CS2）是一种无色易挥发液体，其分子量为76，熔点为-111.9℃，沸点为46.24℃，20℃时其密度为1.26g/cm3，20℃时在水中的溶解度度为0.179。二硫化碳溶于乙醇和乙醚。

　　2、硫化氢（H2S）
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7 S9 d1 a7 q6 t+ r, q+ }" f4 l, J　　硫化氢（H2S）是一种无色气体，具有强烈刺激的臭鸡蛋气味，其分子量为34，沸点为-60.35℃，25℃时其密度为1.26g/L，具有腐蚀性和毒性。
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五、离子渗硫及离子含硫多元共渗工艺

　　离子渗硫是一个广义的工艺概念。实际应用中，它包含了单纯的离子渗硫、离子硫氮共渗和离子硫氮碳共渗等多种工艺，以下就这几种工艺逐一进行陈述。

　　（一）离子渗硫工艺

" z  n, _; b2 f: A% j# P4 [4 ~　　离子渗硫通常是在160～300℃的低温下进行的，常用的离子渗硫温度为180～200℃。供硫剂可采用二硫化碳（负压吸入，与丙酮的加入方式相似），也可采用硫化氢气体。其中采用硫化氢作供渗硫源时，一般以H2S—Ar—H2作为渗硫气氛，高纯度（99.999%）的Ar和H2（比例为1:1）作为载体气，H2S的用量为总气体量的3%。

3 @4 [7 E% {; D9 x% Z0 ~　　混合气的流量约为80～120L/h（对LDMC-75炉型而言）。
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　　保温时间依据不同渗层的要求，可选用十几分钟至二小时，所得到的渗层深度从几微米至几十微米。

+ f7 w6 ^% c  s4 C7 h/ A　　渗层组织是以FeS为主的化合物层，无明显的扩散层。
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　　（二）离子硫氮共渗工艺

# m; G" W6 C9 S: c% T　　离子渗氮气氛中加入适量的含硫气氛即可实现离子硫氮共渗。高硬度渗氮层的外表面的硫化物层能提高工件的减磨、抗咬合能力。

5 T& y0 _% W1 ~6 S6 M3 C" ^　　离子硫氮共渗工艺中可使用硫化氢或二硫化碳作为供硫剂。在实际使用过程中，二硫化碳不是直接通入炉内使用，而是使用二硫化碳与水蒸汽的反应气，因此，操作起来有一定的难度，故使用较少。

4 m  W; L+ T3 n& @　　渗氮气氛中通入适量的硫可以提高氮势，降低ε相的形成温度，加速渗氮过程，因而强烈影响渗层特征。随着气氛中含硫量的逐步提高，渗层表面的含硫量开始也随之增高，总渗层也曾厚，但气氛中含硫量增至一定值时，渗层反而开始减薄，尤其在共渗温度高、共渗时间长的条件下，气氛中硫含量过高，工件表面易出现灰黑色粉末状沉积物，渗层脆性高，易剥落。反之，若气氛中含硫量太低，则渗硫效果不明显且硫化物层结合不好。
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　　基于以上分析和试验，当以硫化氢为共渗剂时，NH3:H2S以10～30:1较适宜。

& ^" i* F! l0 a4 p  Q8 P/ M5 I0 M　　硫氮共渗的温度依据材料的不同，可在480～570℃范围内选用。硫氮共渗的时间依据对渗层的不同要求，多在两个小时之内。

　　离子硫氮共渗层的组织为多层结构，最表层为硫化物层（硬度低），次表层为氮的化合物层（高硬度区），里层为扩散层。
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& j/ @) o! M% E# J5 W" n　　（三）离子硫氮碳共渗工艺

3 n, ?' A6 K' h% j0 b, _3 T" p" [* ]$ q　　在离子氮碳共渗气氛中加入含硫气体，即可实现离子硫氮三元共渗。研究认为，在离子氮碳共渗气氛中加入少量含硫气体，可提高氮和碳的活性，在低温下（如500℃）也易形成ε相（S、N、C的化合物），而且可提高ε相中的含氮量。因此，三元共渗的渗速更高，渗层质量相对更好，同样可提高工件的耐磨性、抗咬合能力和疲劳强度。
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8 f0 l) i: C! ^; b　　常用的作为硫氮碳共渗的气体配比有以下两种：

* r; B# ?, Z' _6 o: j6 g/ I（1）CH4:H2S:NH3=3:2:20；
（2）(C2H5OH:CS2=2:1):NH3=1:20

　　离子硫氮碳共渗有两种操作方式，（1）先进行氮碳共渗后再渗硫；（2）通入混合气氛同时进行三元共渗。
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( e& ^* ~/ m" ?% g% C8 w6 o, {! Q　　离子硫氮碳共渗的温度可参照离子氮碳共渗的温度选择，通常在550～580℃范围内。

' N: K7 b+ \0 G' x( y* H! d- ]　　离子硫氮碳共渗的时间依据材料的不同而异，普通钢可选用570℃、2～3小时共渗；高速钢则采用低温（480～540℃）短时（15～120分钟）共渗工艺。
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　　离子硫氮碳共渗层的组织为多层结构，自表及里依次为黑色多孔质地较软的FeS薄层、含硫的ε+γ’化合物层以及含碳和氮的扩散层。

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压铸模具的表面处理新技术
2009-10-22 09:08
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' @& [3 c1 U3 b% x/ }; `/ {5 s压铸模具是模具中的一个大类。随着我国汽车摩托车工业的迅速发展,压铸行业迎来了发展的新时期。同时,也对压铸模具的综合力学性能、寿命等提出了更高的要求。要满足不断提高的使用性能需求仅仅依靠新型模具材料的应用仍然很难满足,必须将各种表面处理技术应用到压铸模具的表面处理当中才能达到对压铸模具高效率、高精度和高寿命的要。在各种模具中,压铸模具的工作条件是较为苛刻的。压力铸造是使熔融金属在高压、高速下充满模具型腔而压铸成型,在工作过程中反复与炽热金属接触,因此要求压铸模具有较高的耐热疲劳、导热性耐磨性、耐蚀性、冲击韧性、红硬性、良好的脱模性等。因此,对压铸模具的表面处理技术要求较高近年来,各种压铸模具表面处理新技术不断涌现,但总的来说可以分为以下三个大类1)传统热处理工艺的改进技术;(2)表面改性技术,包括表面热扩渗处理、表面相变强化、电火花强化技术等;(3)涂镀技术,包括化学镀等。
　　
2 d+ j, T3 E" [2 k: v8 v( [1传统热处理工艺的改进技术
　　传统的压铸模具热处理工艺是淬火-回火,以后又发展了表面处理技术。由于可作为压铸模具的材料多种多样,同样的表面处理技术和工艺应用在不同的材料上会产生不同的效果。史可夫最近提出针对模具基材和表面处理技术的基材预处理技术,在传统工艺的基础上,对不同的模具材料提出适合的加工工艺,从而改善模具性能,提高模具寿命。热处理技术改进的另一个发展方向,是将传统的热处理工艺与先进的表面处理工艺相结合,提高压铸模具的使用寿命。如将化学热处理的方法碳氮共渗,与常规淬火、回火工艺相结合的NQN(即碳氮共渗-淬火-碳氮共渗)复合强化,不但得到较高的表面硬度,而且有效硬化层深度增加、渗层硬度梯度分布合理、回火稳定性和耐蚀性提高,从而使得压铸模具在获得良好心部性能的同时,表面质量和性能大幅提高。

2表面改性技术
8 Z; `6 l: f. j: g　　2 1表面热扩渗技术
　　这一类型中包括有渗碳、渗氮、渗硼以及碳氮共渗、硫碳氮共渗等。
　　2 1 1渗碳和碳氮共渗
　　渗碳工艺应用于冷、热作和塑料模具表面强化中,都能提高模具寿命。如3Cr2W8V钢制的压铸模具,先渗碳、再经1140～1150℃淬火,550℃回火两次,表面硬度可达HRC56～61,使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1. 8～3.0倍。进行渗碳处理时,主要的工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳、以及真空渗碳、离子渗碳和在渗碳气氛中加入氮元素形成的碳氮共渗等。其中,真空渗碳和离子渗碳则是近20年来发展起来的技术,该技术具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形小等特点,将会在模具表面尤其是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。
1 c0 B2 A5 N4 M　　2 1 2渗氮及有关的低温热扩渗技术
7 N1 ~; _: X/ }6 E# B, W0 _　　这一类型中包括渗氮、离子渗氮、碳氮共渗、氧氮共渗、硫氮共渗以及硫碳氮、氧氮硫三元共渗等方法。这些方法处理工艺简便、适应性强、扩渗温度较低(一般为480～600℃)、工件变形小,尤其适应精密模具的表面强化,而且氮化层硬度高、耐磨性好,有较好的抗粘模性能。3Cr2W8V钢压铸模具,经调质、520～540℃氮化后,使用寿命较不氮化的模具提高2～3倍。美国用H13钢制作的压铸模具,不少都要进行氮化处理,且以渗氮代替一次回火,表面硬度高达HRC65～70,而模具心部硬度较低、韧性好,从而获得优良的综合力学性能。氮化工艺是压铸模具表面处理常用的工艺,但当氮化层出现薄而脆的白亮层时,无法抵抗交变热应力的作用,极易产生微裂纹,降低热疲劳抗力。因此,在氮化过程中,要严格控制工艺,避免脆性层的产生。最近,国外提出采用二次和多次渗氮工艺。采用反复渗氮的办法可以分解容易在服役过程中产生微裂纹的氮化物白亮层,增加渗氮层厚度,并同时使模具表面存在很厚的残余应力层,使模具的寿命得以明显提高。此外还有采用盐浴碳氮共渗和盐浴硫氮碳共渗等方法。这些工艺在国外应用较为广泛,在国内较
( c! w, f) h; V8 e- H2 U　　少见。如TFI+ABI工艺,是在盐浴氮碳共渗后再于碱性氧化性盐浴中浸渍。工件表面发生氧化,呈黑色,其耐磨性、耐蚀性、耐热性均得到了改善。经此方法处理的铝合金压铸模具寿命提高数百小时。再如法国开发的硫氮碳共渗后进行氮化处理的oxynit工艺,应用于有色金属压铸模具则更具特点。
　　2 1 3渗硼
　　由于渗硼层的高硬度(FeB:HV1800～2300、Fe2B:HV1300～1500)、耐磨性和红硬性,以及一定的耐蚀性和抗粘着性,渗硼技术在模具工业中获得较好的应用效果。但因压铸模具工作条件十分苛刻,故渗硼工艺较少应用于压铸模具表面处理中,但近年来,出现了改进的渗硼方法,解决了上述问题,而得以应用于压铸模具的表面处理,如多元、涂剂粉末渗等。涂剂粉末渗硼的方法是将硼化合物和其他渗剂混合后涂覆在压铸模具表面,待液体挥发后,再按照一般粉末渗硼的方法装箱密封,920℃加热并保温8h,随之空冷。这种方法可以获得致密、均匀的渗层,模具表面渗层硬度、耐磨性和弯曲强度都得到提高,模具使用寿命平均提高2倍以上。
6 b( d0 z) j- I& m　　2 1 4稀土表面强化
　　近年来,在模具表面强化中采用加入稀土元素的方法得到广泛推崇。这是因为稀土元素具有提高渗速、强化表面及净化表面等多种功能〔13〕,它对改善模具表面组织结构,表面物理、化学及力学性能均有极大地影响,可提高渗速、强化表面、生成稀土化合物。同时可消除分布在晶界上微量杂质的有害作用,起着强化和稳定模具型腔表面晶界的作用。另外,稀土元素与钢中的有害元素发生作用,生成高熔点化合物,又可抑制这些有害元素在晶界上偏聚,从而降低深层的脆性等。在压铸模具表面强化处理工艺中加入稀土元素成分,能够明显提高各种渗入法的渗层厚度、提高表面硬度,同时使得渗层组织细小弥散、硬度梯度下降,从而使得模具的耐磨性、抗冷、热疲劳性能等显著提高,从而大幅度提高模具寿命。目前应用于压铸模具型腔表面的处理方法有:稀土碳共渗、稀土碳氮共渗、稀土硼共渗、稀土硼铝共渗、稀土软氮化、稀土硫氮碳共渗等。
, h: j0 f8 E- X4 n　　2 2激光表面处理
　　激光表面处理是使用激光束进行加热,使工件表面迅速熔化一定深度的薄层,同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面,在激光照射下使其与基体金属充分融合,冷凝后在模具表面获得厚度为10～1000μm具有特殊性能的合金层,冷却速度相当于激冷淬火。如在H13钢表面采用激光快速熔融工艺进行处理,熔区具有较高的硬度和良好的热稳定性,抗塑性变形能力高,对疲劳裂纹的萌生和扩展有明显的抑制作用。最近,萨哈和达霍特若采用在H13基材上进行激光熔覆VC层的方法,研究表明,获得的模具表面实质是连续、致密无孔的VC钢复合覆层,它不仅有很强的在600℃下的氧化抗力,而且有很强的抗熔融金属还原的能力〔19〕。2 3电火花沉积金属陶瓷工艺在表面改性技术的不断发展中,出现了一种电火花沉积工艺。该工艺在电场作用下,在母材表面产生瞬间高温、高压区,同时渗入离子态的金属陶瓷材料,形成表面的冶金结合,而母材表面也同时发生瞬间相变,形成马氏体和微细奥氏体组织〔20〕。这种工艺不同于焊接,也不同于喷镀或者元素渗入,应该是介于两者之间的一种工艺。它很好地利用了金属陶瓷材料的高耐磨、耐高温、耐腐蚀的特性,而且工艺简单,成本较低廉。是压铸模具表面处理的一条新路。
9 I* G' s% Y' L1 R　　3涂镀技术
　　涂镀技术作为模具强化技术的一种,主要应用在塑料模、玻璃模、橡胶模、冲压模等工作环境相对简单的模具表面处理。压铸模具需要承受冷热应力交替的苛刻环境,所以一般不使用涂镀技术来强化压铸模具表面。但近年来,有报道采用化学复合镀的方法强化压铸模具表面,以提高模具表面抗粘着性、脱模性。该方法在铝基压铸模具上将聚四氟乙烯微粒浸润后进行(NiP)-聚四氟乙烯复合镀。实验证明,此方法在工
9 o) _: E3 [( n　　艺上和性能上均为可行,大大降低了模具表面的摩擦系数。
　　4结语
　　模具压力加工是机械制造的重要组成部分,而模具的水平、质量和寿命则与模具表面强化技术休戚相关。随着科学技术的进步,近年来各种模具表面处理技术出现较大的进展。表现在:①传统的热处理工艺的改进及其与其他新工艺的结合;②表面改性技术,包括渗碳、低温热扩渗(各种渗氮、碳氮共渗、离子氮化、三元共渗等)、盐浴热扩渗、渗硼、稀土表面强化、激光表面处理和电火花沉积金属陶瓷等;③涂镀技术等方面。但对于工作条件极为苛刻的压铸模具而言,现有新的表面处理工艺还无法满足不断增长的要求,可以预计更为先进的技术,也有望应用于压铸模具的表面处理。鉴于表面处理是提高压铸模具寿命的重要手段之一,因此要提高我国压铸模具生产整体水平,表面处理技术将起着举足轻重的作用。