面滲硫處理技術(shù)

1、 表面滲硫熱處理技術(shù)1.1滲硫技術(shù)的產(chǎn)生作為一名金屬材料專業(yè)的學(xué)生，雖然我平名日里勤奮好學(xué)，深知天道酬勤之里。但我仍覺得我所學(xué)之皮毛，最近多于圖書館翻閱各種資料，所以在此簡單的做些分析。 目前，材料的表面滲硫方法主要有4種，分別是:液體滲硫、固體滲硫、氣體滲硫、低溫等離子滲硫等，電解滲硫是目前應(yīng)用較多的滲硫方法，法國的低溫鹽浴電解法(即BT法)及其改進后的各種方法已被法、英、德、美、意、日等國廣泛采用。一般摩擦系數(shù)是未處理試樣的30%50%，也有報導(dǎo)20號鋼在室溫電解滲硫時摩擦系數(shù)約為非滲硫10%20%。中溫滲硫是以硫酸鈉作為含硫源，外加一些化學(xué)腐蝕劑，處理溫度為550左右，保溫時間取決于滲層

2、的深度;低溫滲硫常以(NH2)2CS為主要試劑，輔助試劑等物質(zhì)，處理溫度低于200，由于溫度低，所需時間較長。1.2滲硫技術(shù)主要種類1.2.1固體滲硫 又稱粉末滲硫，一般以Fe粉為供硫劑，與適量的催化劑防粘接劑等制成50100目的細粉狀混合物，在500900高溫爐中向工件表面滲硫，工藝類似于固體滲碳，加熱溫度和保溫時間隨工件材料不同而選擇。其優(yōu)點是簡便易行，投資少，成本低，通用性好。缺點是勞動條件差，溫度高，工藝時間長，質(zhì)量不穩(wěn)定，目前在生產(chǎn)上已應(yīng)用不多。1.2.2氣體滲硫 即離子滲硫，是將含硫氣體(如H2S，CS2等)通入密閉爐中，加熱使之分解出活性原子(離子)進行工件表面滲硫。離子滲硫是一

3、個廣義的工藝概念。實際應(yīng)用中，它包含了單純的離子滲硫、離子硫氮共滲和離子硫氮碳共滲等多種工藝，滲硫的發(fā)展是同現(xiàn)代潤滑理論上一些新發(fā)現(xiàn)分不開的。根據(jù)這個理論：在高速切削時，摩擦生熱特別厲害，為了延長刀的壽命，大家用富含冷卻性的肥皂水來冷卻，因為水的冷卻能力兩倍于油。等到進刀吃重時，切削速度相對降低，此時摩擦生熱為次要問題，于是切削油以潤滑為主，肥皂水宜含較多的油或者改用稀薄的切削油。如果切削情況進一步嚴重，則在鐵屑與刃口中間產(chǎn)生足夠的壓力，可以破壞稀油的薄膜，此時宜用富含粘附性的油脂或單獨使用或與礦物油混合使用。如切削與刃口中間壓力再增大，則油脂分子亦被破裂，鐵屑會“焊”著刃口。于是設(shè)法使鐵屑不

4、“焊”著刃口就成為金屬切削中的主要問題。后來有人試驗在切削油中加入硫磺粉或硫化物，在壓力極大，溫度極高的情況下進行切削，結(jié)果硫磺在切削點上受到高熱，發(fā)展它的活動能力，在鐵屑底面形成一層高熔點極薄的膜；該膜不特使鐵屑不焊著刃口，反而增加鐵屑子與刃口間的滑動性，于是硫磺博得一個光榮的稱號“脫焊劑”。也有人試用氯化物作為脫焊劑，比不上硫磺。有了這一層極薄的膜作為起點，大家不斷研究，如何把它從鐵屑底面搬上金屬表面，并且要由極薄的膜變成擴散的深層。在這方面的發(fā)展，終于創(chuàng)造出許多成就，鋼鐵滲硫就是其中之一2.法在法國問世以來，鋼鐵滲硫技術(shù)就以極其良好的減摩、抗粘著性能引起國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注，成為滑動零

5、部件、合金鋼工模具表面減摩、耐磨處理的重要手段。金屬表面滲硫是一種新的化學(xué)熱處理工藝，國外的研究以法國為最早，蘇聯(lián)于1953-1955年首先由明斯克汽車制造廠的工程技術(shù)人員們提出了完整的資料。他們指出：金屬表面由于滲硫的結(jié)果，得到了完全新的性質(zhì)，使摩擦?xí)r不會產(chǎn)生“咬合”現(xiàn)象，即改善了零件的抗“咬合”能力，降低了摩擦系數(shù)，使能在不提高表面硬度的條件下增加耐磨性。因此，它為許多減摩材料及有色金屬（如青銅）的代用開辟了廣闊的前途3但效果1.3滲硫?qū)蛹捌涔に囂攸c(1)處理溫度低，應(yīng)用的使用溫度在200以下，不改變零件的組織和硬度，其變形量頗小。 (2)在真空條件下進行，確保零件表面粗造度不改變，作為零

6、件的最終工序處理不影響零件的尺寸精度。 (3)采用專利技術(shù)，無污染排放，保證綠色環(huán)保的生產(chǎn)要求。 (4)根據(jù)使用要求，可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)達到滿意的滲層質(zhì)量。 (5)設(shè)備簡捷，操控性優(yōu)良，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。 滲碳，也稱“硫化”，泛指硫與鐵元素結(jié)合，在零件表面形成一層厚度由幾個到幾十個微米的硫鐵化合物（FS和FeS2）。由于硫不固溶于a鐵，且迄今尚未證實滲硫工件的Fe膜內(nèi)側(cè)有硫的擴散層存在，故亦有稱此工藝為硫化者。滲硫技術(shù)屬于化學(xué)處理、表面處理范疇。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：硫化物層中的FS為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，剪切強度低。在剪切應(yīng)力作用下極易發(fā)生滑動，具有良好的自潤滑性；硫化物層質(zhì)地疏松、多維孔，有利于油脂的儲藏

7、，有利于油膜的形成與保持；硫化物層硬度低(90100HV)，可軟化摩擦副表面的微凸體，減緩硬金屬表面微凸體對軟金屬表面的犁削作用；硫化物中的Fe具有極好的熱穩(wěn)定性，在大氣環(huán)境下，600也不會發(fā)生氧化分解，可在高溫工況下起到潤滑作用；在受壓和摩擦生熱的條件下，F(xiàn)e發(fā)生再生，沿著晶界向內(nèi)擴散，使Fe層的潤滑和防止粘著作用能夠維持；零件表面形成硫化物層，其摩擦系數(shù)大幅度減少，摩擦產(chǎn)生的溫升明顯下降，可大大提高零件的使用壽命和穩(wěn)定性。滲硫處理溫度低于Ac1溫度，故而被稱為低溫化學(xué)熱處理。它具有如下特點:在保持基體材料強韌性的基礎(chǔ)上賦予其表面耐磨損、抗擦傷、抗咬合、抗疲勞、耐腐蝕與抗高溫氧化等獨特性能;

8、處理溫度低，基體材料無相變，工件的畸變小，可進行精密化處理;充分發(fā)揮了材料的潛力，節(jié)省貴重材料，能耗較低。 值得強調(diào)的是，由于滲硫?qū)邮峭ㄟ^Fe與S的置換生成的，因此該工藝不適用于有色金屬。對于表面具有鉻氧化合物薄膜的金屬材料(如不銹鋼等)，則需先去除鈍化膜。此外，由于鋼鐵滲硫后表面硬度不高，為充分發(fā)揮滲硫?qū)拥淖饔?，一般?yīng)在淬火、滲氮、高頻淬火等表面強化處理后再進行滲硫。電解滲硫是目較多的滲硫方法，法國的低溫鹽浴電解法及其改進后的各種方法已被法、英、德、美、意、日等國廣泛采用。一般摩擦系數(shù)是未處理試樣的30%50%，也有報導(dǎo)20號鋼在室溫電解滲硫時摩擦系數(shù)約為非滲硫10%20%。中溫滲硫是以硫酸

9、鈉作為含硫源，外加一些化學(xué)腐蝕劑，處理溫度為550左右，保溫時間取決于滲層的深度;低溫滲硫常以(NH2)2CS為主要試劑，輔助試劑有KSCN(NH2)2CO等物質(zhì)，處理溫度低于200，由于溫度低，所需時間較長。滲硫?qū)右桩a(chǎn)生FeSO3，導(dǎo)致工件表面銹蝕，產(chǎn)生氰鹽試劑有毒，介質(zhì)易老化，造成環(huán)境污染，且工件的后道處理很麻煩，難以較好解決?？傊?液體滲硫由于鹽浴存在污染嚴重、易老化變質(zhì)、成分和活性難以控制等問題,處理后工件的質(zhì)量尚不夠穩(wěn)定。近年來在改進滲硫鹽浴成分,減少環(huán)境污染方面已有較大的進展,有的鹽浴成分基本無毒性,為鹽浴滲硫的廣泛應(yīng)用又稱粉末滲硫，一般以Fe粉為供硫劑，與適量的催化劑防粘接劑等制

10、成50100目的細粉狀混合物，在500900高溫爐中向工件表面滲硫，工藝類似于固體滲碳，加熱溫度和保溫時間隨工件材料不同而選擇。其優(yōu)點是簡便易行，投資少，成本低，通用性好。缺點是勞動條件差，溫度高，工藝時間長，質(zhì)量不穩(wěn)定，目前在生產(chǎn)上已應(yīng)用不多。即離子滲硫，是將含硫氣體(如H2S，CS2等)通入密閉爐中，加熱使之分解出活性原子(離子)進行工件表面滲硫。離子滲硫是一個廣義的工藝概念。實際應(yīng)用中，它包含了單純的離子滲硫、離子硫氮共滲和離子硫氮碳共滲等多種工藝，了有利條件。離子滲硫通常是在160300的低溫下進行的，常用的離子滲硫溫度為180200。供硫劑可采用二硫化碳（負壓吸入，與丙酮的加入方式相

11、似），也可采用硫化氫氣體。其中采用硫化氫作供滲硫源時，一般以H2SArH（99.999%）的Ar和H2（比例為1:1）作為載體氣，H2S的用量為總氣體量的3%。混合氣的流量約為80120L/h（對LDMC-75爐型而言）。離子滲氮氣氛中加入適量的含硫氣氛即可實現(xiàn)離子硫氮共滲。高硬度滲氮層的外表面的硫易沿密排面滑移,并具有低剪切強度和較高熔點(1100),是優(yōu)良的固體潤滑劑.FeS2為正交或立方結(jié)構(gòu),不具備自潤滑性能.在離子滲硫過程中,表面微突體由于突出基體表面,受到離子轟擊的幾率大,滲硫深度較深;相反凹陷處滲硫深度較淺,滲硫?qū)佑捕群艿?僅為50100HV6.因此微突體在受到“軟化”的同時,還被

12、適度削峰,改善接觸狀態(tài),這有利于磨合的進行7.試驗開始后,滲硫?qū)颖荒雺?粘附于摩擦表面,并填充于表面凹陷處,有效地阻礙了金屬表面間的直接接觸,避免了粘著.另外,由于滲硫?qū)邮杷汕叶嗫?在潤滑條件下,也易于吸附潤滑油并形成油膜.隨著試驗的進行,滲硫?qū)又饾u被磨損,但仍有少量硫化物殘留于表面而繼續(xù)發(fā)揮作用.當(dāng)硫化物過少而不能對摩擦表面起到有效保護時,才會導(dǎo)致擦傷.在磨損過程中,摩擦表面在機械力和摩擦熱的作用下會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化.硫化物會因受熱而氧化,析出活性S原子.活性S原化物層能提高工件的減磨、抗咬合能力.離子硫氮共滲工藝中可使用硫化氫或二硫化碳作為供硫劑。在實際使用過程中，2作為滲硫氣

13、氛，高（99.999%）的Ar和H2（比例為1:1）作為載體氣，H2S的用量為總氣體量的3%混合氣的流量約為80120L/h（對LDMC-75爐型而言）。保溫時間依據(jù)不同滲層的要求，可選用十幾分鐘至二小時，所得到的滲層深度從幾微米至幾十微米。滲層組織是以Fe為主的化合物層，無明顯的擴散層。離子滲氮氣氛中加入適量的含硫氣氛即可實現(xiàn)離子硫氮共滲。高硬度滲氮層的外表面的硫化物層能提高工件的減磨、抗咬合能力。離子硫氮共滲工藝中可使用硫化氫或二硫化碳作為供硫劑。在實際使用過程中，二硫化碳不是直接通入爐內(nèi)使用，而是使用二硫化碳與水蒸汽的反應(yīng)氣，因此，操作起來有一定的難度，故使用較少。滲氮氣氛中通入適量的硫

14、可以提高氮勢，降低相的形成溫度，加速滲氮過程，因而強烈影響滲層特征。隨著氣氛中含硫量的逐步提高，滲層表面的含硫量開始也隨之增高，總滲層也曾厚，但氣氛中含硫量增至一定值時，滲層反而開始減薄，尤其在共滲溫度高、共滲時間長的條件下，氣氛中硫含量過高，工件表面易出現(xiàn)灰黑色粉末狀沉積物，滲層脆性高，易剝落。反之，若氣氛中含硫量太低，則滲硫效果不明顯且硫化物層結(jié)合不好?；谝陨戏治龊驮囼?，當(dāng)以硫化氫為共滲劑時，NH3:H2S以1030:1較適宜。硫氮共滲的溫度依據(jù)材料的不同，可在480570范圍內(nèi)選用。硫氮共滲的時間依據(jù)對滲層的不同要求，多在兩個小時之內(nèi)。離子硫氮共滲層的組織為多層結(jié)構(gòu)，最表層為硫化物層（

15、硬度低），次表層為氮的化合物層（高硬度區(qū)）。 在離子氮碳共滲氣氛中加入含硫氣體，即可實現(xiàn)離子硫氮三元共滲。研究認為，在離子氮碳共滲氣氛中加入少量含硫氣體，可提高氮和碳的活性，在低溫下（如500）也易形成相（S、N、C的化合物），而且可提高相中的含氮量。因此，三元共滲的滲速更高，滲層質(zhì)量相對更好，同樣可提高工件的耐磨性、抗咬合能力和疲勞強度。常用的作為硫氮碳共滲的氣體配比有以下兩種CH4:H2S:NH3=3:2:20，C2H5OH:CS2=2:1):NH3=1:20散層。離子硫氮碳共滲有兩種操作方式：先進行氮碳共滲后再滲硫；通入混合氣氛同時進行三元共滲。離子硫氮碳共滲的溫度可參照離子氮碳共滲的溫

16、度選擇，通常在550580范圍內(nèi)。離子硫氮碳共滲的時間依據(jù)材料的不同而異，普通鋼可選用570，23小時共滲；高速鋼則采用低溫（480540）短時（15120分鐘）共滲工藝。等離子滲硫工藝參數(shù)對滲層的影響工藝是實現(xiàn)離子滲硫的關(guān)鍵。離子滲硫的工藝參數(shù)很多，主要有：工件處理前的清洗、活化；反應(yīng)氣體的選擇、配比、流量；滲硫爐內(nèi)的溫度、氣壓；輝光放電的電壓、電流及處理的時間等。滲硫前處理等離子滲硫處理，因處理溫度較低，工件表面活化相對困難。因此，對工件進行裝爐前的清潔處理，去除油污、鈍化膜等，是進行滲硫的前提和基礎(chǔ)。去除油污可用普通的金屬清洗劑或一些有機溶劑；去除鈍化膜可用一些無機酸溶液，如鹽酸或硫酸等。在工件清潔處理的過程中，一定要注意工序間的防銹，避免在工件表面濃度從共析濃度降至心部濃度的過渡層，其組織相當(dāng)于相應(yīng)碳濃度的亞共析鋼的退火組織。通常滲碳后需重新加熱進行淬火及低溫回火，這時各層的組織則是相應(yīng)碳濃度的鋼的淬火及低溫回火組織?？傊?，隨著環(huán)保要求的不斷提高，要推動滲硫技