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(jìn)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，

2、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(xì)粉狀混合物， 在 500 900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(diǎn)是簡便易行， 投資少，成本低，通用性好。缺點(diǎn)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。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

3、解出活性原子 (離子 )進(jìn)行工件表面滲硫。離子滲硫是一個廣義的工藝概念。實(shí)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?yàn)樗睦鋮s能力兩倍于油。等到進(jìn)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(jìn)一步嚴(yán)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(dú)使用或與礦物油混合使用。如切削與刃口中間

4、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 “焊”著刃口就成為金屬切削中的主要問題。 后來有人試驗(yàn)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(jìn)行切削， 結(jié)果硫磺在切削點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)， 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(kuò)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

5、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(diǎn)(1)處理溫度低，應(yīng)用

6、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(jìn)行，確保零件表面粗造度不改變，作為零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(dá)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(shí)滲硫工件的 Fe 膜內(nèi)側(cè)有硫的擴(kuò)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

7、密排六方晶體結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)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，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(kuò)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

8、而被稱為低溫化學(xué)熱處理。它具有如下特點(diǎn) : 在保持基體材料強(qiáng)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(dú)特性能 ;處理溫度低，基體材料無相變，工件的畸變小， 可進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)化處理后再進(jìn)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(jìn)后

9、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(yán)重、易老化變質(zhì)、成分和活性難

10、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(jìn)滲硫鹽浴成分 ,減少環(huán)境污染方面已有較大的進(jìn)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成50100 目的細(xì)粉狀混合物，在500 900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(diǎn)是簡便易行，投資少，成本低，通用性好。缺點(diǎn)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(jìn)行工件表面滲硫。離子滲硫是一個廣

11、義的工藝概念。實(shí)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160 300的低溫下進(jìn)行的，常用的離子滲硫溫度為180 200。供硫劑可采用二硫化碳（負(fù)壓吸入，與丙酮的加入方式相似），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H2S Ar H（ 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 80 120L/h（對 LDMC-75 爐型而言）。離子滲氮?dú)夥罩屑尤脒m量的含硫氣氛即可實(shí)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(qiáng)度和較

12、高熔點(diǎn) (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 50 100HV6. 因此微突體在受到“軟化”的同時 ,還被適度削峰 ,改善接觸狀態(tài) ,這有利于磨合的進(jìn)行 7.試驗(yàn)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(yàn)的進(jìn)行 ,滲硫?qū)又饾u被磨損 ,但仍有少量硫化物

13、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(hù)時 ,才會導(dǎo)致擦傷 . 在磨損過程中 ,摩擦表面在機(jī)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(shí)際使用過程中， 2 作為滲硫氣氛，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

14、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(kuò)散層。離子滲氮?dú)夥罩屑尤脒m量的含硫氣氛即可實(shí)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(shí)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?dú)夥罩型ㄈ脒m量的硫可以提高氮勢，降低相的形成溫度，加速滲氮過程，因而強(qiáng)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、

15、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?yàn)，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（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(shí)現(xiàn)離子硫氮三元共滲。 研究認(rèn)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 50

16、0）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(qiáng)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(jìn)行氮碳共滲后再滲硫； 通入混合氣氛同時進(jìn)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， 2 3 小時共滲；高速鋼則采用低溫（ 480540）短時（ 15120 分

17、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(shí)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(jìn)行裝爐前的清潔處理，去除油污、鈍化膜等，是進(jìn)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(jī)溶劑；去除鈍化膜可用一些無機(jī)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(jìn)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