CN106367712A - 一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理技术及产品 - Google Patents

一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理技术及产品 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理技术及产品。利用气体氮化、离子氮化技术，选择合适的工艺参数，在适于氮化处理的金属工件表面形成一定厚度的氮化层。对氮化后的工件进行淬火(普通淬火、感应淬火及激光淬火等)处理，氮化物分解，氮离子向心部扩散，硬化的深度和硬度同时增加。恰当的淬火参数，在氮化物分解时，工件表层产生微孔，同时马氏体中的固溶N浓度提高，表层压应力增大。高的固溶N浓浓度能提高回火软化抵抗力，高硬度、大的压应力可以提高表面的耐磨性能，微孔的存在形成储存润滑剂的作用，改变摩擦状态，降低摩擦系数。通过氮化/淬火复合处理实现金属零部件的集润滑剂减摩抗磨性能。

Description

一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理 技术及产品
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理技术及产品。
背景技术
机械零部件在工作时，两工作面之间不但相互接触，而且还存在着相对运动。工作中的零部件不可避免的会产生摩擦，克服摩擦力所做的无用功占到了总消耗功率的30％以上，这些无用功主要转换成热能，造成零部件升温等不利影响，因摩擦表面直接接触产生的磨损而引起的零部件失效占到零部件失效的80％左右。对于摩擦现象，人类很早就开始研究并利用，也取得了大量的成果。从机械或者零部件的设计，到材料选用、加工制造以及操作维修等方面充分考虑其磨损寿命问题。
工件表面强化处理以及合理的实用润滑剂都可以有效地解决摩擦磨损问题，提高工作效率。专利ZL201110428583.4公开了一种脉冲电沉积Ni-Co-P/HBN复合镀层及其制备方法，把六方氮化硼HBN粉末分散在Ni-Co-P复合镀液中，利用脉冲电沉积技术形成了与基体材料表面结合力强耐蚀、耐磨减摩的复合涂层。专利ZL201210217526.6公开了一种空调压缩机零部件表面的强韧性润滑复合薄膜及其制备方法，在基体表面依次形成Ni金属或者Ni-Co合金结合层、金属Ni基陶瓷复合硬化层、Cr/CrN过渡层和Cr-B掺杂的类金刚石表面润滑层形成强韧、耐磨、减摩的复合薄膜。专利ZL201310754112.1公开了一种提高钢领表面耐磨性的方法，采用中频费平衡磁控溅射技术在钢领表面进行类金刚石镀膜，达到减摩和抗磨效果。专利ZL201310645609.X公开了一种碳基减摩耐磨涂层及其制备方法，粘结层和工作层相互交替沉积实现类石墨非晶碳涂层的大厚度制备。专利ZL201380054066.2公开了一种利用PCD技术制备最外层包含氮化钼铜和/或氮化钼和氮化铜的具有增强的减摩擦和减磨损复合涂层。还有很多利用热喷涂技术、激光熔覆技术制备耐磨涂层的表面强化技术，这些表面强化技术外加涂层的方式要么实现了自润滑性能，要么提高了工件表层硬度以提高耐磨性，但是会存在着与基体结合不牢固等缺陷。
氮化技术作为传统的表面强化技术，能在钢铁制件表面获得一定厚度的硬化层，提高工件的耐磨损等性能，但是氮化处理时间长，难以同时实现高表面硬度和厚渗层。专利ZL201380072803.1公开了一种软氮化高频淬火钢部件，提供由现有的软氮化高频淬火钢部件所无法获得的回火软化抵抗优异、显示高的表面附近压缩残余应力并且面疲劳强度优异的软氮化高频淬火钢部件。专利ZL201510267430.4公开了一种使钢的渗氮或快速加热淬火硬化层厚度和硬度倍增的复合改性方法，利用渗氮后再激光淬火的方式实现了氮化层厚度和硬度倍增。运行中的零部件摩擦磨损情况，不但受到零部件自身表面的状态的影响，还受到摩擦状态的影响。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理技术及产品。利用气体氮化、离子氮化技术，选择合适的工艺参数，在适于氮化处理的金属工件表面形成一定厚度的氮化层。对氮化后的工件进行淬火(普通淬火、感应淬火及激光淬火等)处理，氮化物分解，氮离子向心部扩散，硬化的深度和硬度同时增加。恰当的淬火参数，在氮化物分解时，工件表层产生微孔，同时马氏体中的固溶N浓度提高，表层压应力增大。高的固溶N浓度能提高回火软化抵抗力，高硬度、大的压应力可以提高表面的耐磨性能，微孔的存在形成储存润滑剂的作用，改变摩擦状态，降低摩擦系数。通过氮化/淬火复合处理实现金属零部件的集润滑剂减摩抗磨性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于储油二次润滑的金属工件，所述金属工件表面均匀分布有孔隙，所述孔隙的孔径为100nm～1.5μm。本发明的微孔的存在形成储存润滑剂的作用，改变摩擦状态，降低摩擦系数。
优选的，所述金属工件最表层硬度达520HV0.1，亚表层硬度达720HV0.1。
本发明还提供了一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理方法，包括：
试样预处理；
氮化处理，在试样表面形成氮化层；
淬火处理，分解氮化物，在试样表层产生微孔，即得。
优选的，所述预处理为将试样加热至600～720℃退火、打磨、清洗。
优选的，所述氮化处理为气体渗氮或离子渗氮。
更优选的，所述气体渗氮的工艺条件为：520℃～560℃下渗氮6h～15h，随炉冷却至100℃后，出炉；
金属表面所吸附的气体量，由温度和压力决定。当温度恒定时，决定于气体压力。炉压增大，意味着炉内氨气密度增大，可为表面吸附提供更多的几率。
另一方面，气体压强是分子碰撞力的宏观表观。当炉压提高时，氨气分子的动能大大提高，对于克服金属表面的各种障碍和阻力、提高界面反应速率和表层的氮化物量大有帮助，有效促进了界面反应。但升高炉压需要设备满足较高的技术要求，导致成本增大，因此，本发明中更优选的离子渗氮的工艺条件为：在渗氮气氛、炉压为150Pa～400Pa下，于400℃～600℃渗氮2h～8h。
优选的，所述淬火处理为普通淬火、感应淬火激光淬火、水冷或淬火液冷却。
更优选的，所述淬火处理条件为：将试样加热至850℃，保温30min，水淬；
更优选的，所述淬火为感应淬火，具体条件为表1所示。
本发明还提供了一种较优的基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理方法，具体步骤如下：
(一)氮化处理
用不同标号的金相砂纸依次将试样表面打磨光亮，将打磨后的试样经超声清洗、丙酮冲洗得到预处理试样。
研究表明：抛光、研磨、磨光后，试样表面粗糙度非常小，会阻碍氮离子的吸附与扩散；为了克服这一问题，本发明试样仅利用不同目数的金相砂纸对除线切割表层进行打磨，不进行抛光或者研磨处理，其表面状态(粗糙度)对氮化的影响较小。
对预处理后的试样进行渗氮，气体渗氮采用氨气气氛，渗氮温度为520℃～560℃，渗氮时间为6h～15h，随炉冷却至100℃后出炉；
现有研究认为：气体氮化因分解NH3进行渗氮效率低，故一般均固定选用适用于氮化之钢种，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否则氮化几无法进行。
而就本发明而言，与碳钢相比较，含有Al、Cr和Mo等元素的合金钢，在气体渗氮初期与原始氮原子结合较快，容易生成氮化物，但是随着氮化的进行，其氮化厚度增加也比较缓慢；且碳钢不是不能氮化，只是氮化速度慢，氮化层质量低于氮化钢。本发明是利用表层形成的氮化层，随后进行淬火处理，氮化物分解出来的N元素向基体内部扩散；合金钢或者碳钢溶N能力都很差，只要表层有一定量的N元素，就能满足扩散的需要，所以本发明对金属工件种类要求比较宽泛，只要是能进行气体渗氮的金属工件都可以，区别在于复合处理后孔隙率不同。
离子渗氮采用N2和H2的混合气体或含氮气氛，渗氮温度为400℃～600℃，渗氮时间为2h～8h，炉压为150Pa～400Pa。
(二)淬火处理
渗氮处理试样进行淬火处理，淬火方式可以采用普通淬火、感应淬火或者激光催化等方式，水冷或者淬火液冷却。
本发明还提供了上述任一方法制备的金属工件。
本发明中上述任一金属工件皆可用于制备易磨损的机械零部件中的应用，其特征在于，所述易磨损零部件包括：齿轮、滑块、轴承、浮动油封、轴、丝杠。
本发明的有益效果
(1)本发明提供了一种减摩抗磨储油润滑钢铁工件表面氮化+淬火复合处理技术及产品。利用气体氮化、离子氮化技术，选择合适的工艺参数，在适于氮化处理的金属工件表面形成一定厚度的氮化层。对氮化后的工件进行淬火(普通淬火、感应淬火及激光淬火等)处理，氮化物分解，氮离子向心部扩散，硬化的深度和硬度同时增加。恰当的淬火参数，在氮化物分解时，工件表层产生微孔，同时马氏体中的固溶N浓度提高，表层压应力增大。高的固溶N浓度能提高回火软化抵抗力，高硬度、大的压应力可以提高表面的耐磨性能，微孔的存在形成储存润滑剂的作用，改变摩擦状态，降低摩擦系数。通过氮化/淬火复合处理实现金属零部件的集润滑剂减摩抗磨性能。
(3)本发明制备方法简单、高效、实用性强，易于推广。
附图说明
图1 GCr15钢渗氮+淬火处理硬化层截面图。
图2摩擦系数随时间变化曲线。
图3 S55C钢渗氮+淬火处理硬化层截面图。
图4摩擦系数随时间变化曲线。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例一：GCr15钢
将试样切成15mm*15mm*5mm，加热至600℃去应力退火。用0#～5#金相砂纸依次打磨，打磨后的试样经超声清洗、丙酮冲洗。
气体渗氮：将试样装炉，通入纯氨气，20分钟后，开始加热。室温升温至560℃，保温8小时，氨气分解率30％-40％，保温结束后通氨气随炉冷却至150℃后，试样出炉。
淬火处理：将试样加热至850℃，保温30min，水淬。
图1为GCr15钢渗氮+淬火复合处理后的试样截面SEM图，可以看出表面分布着相对均匀的孔隙。渗氮+淬火复合处理后最表层硬度有所下降，但是亚表层硬度提高，比单纯淬火处理试样硬度约高100HV0.1。
在载荷100N，速率10mm/s，油润滑摩擦条件下摩擦磨损实验显示(图2)，淬火处理试样在运行3600s左右时，油膜破损，摩擦系数陡增；而氮化+淬火处理试样摩擦系数在3600s前随着时间变化由0.1增加到0.12，随后摩擦系数一直保持稳定。
实施例二：S55C钢丝杠
将原材料加工成Φ40*100mm试样，加热至600℃去应力退火。用0#～5#金相砂纸依次打磨，打磨后的试样经超声清洗、丙酮冲洗。
气体渗氮：将试样装炉，通入纯氨气，20分钟后，开始加热。室温升温至530℃，保温9小时，氨气分解率25％-35％，保温结束后通氨气随炉冷却至150℃后，试样出炉。
淬火处理：采用感应淬火，具体参数如下表：
渗氮+淬火复合处理后的试样截面SEM图显示(图3)，表面孔隙比GCr15钢少。S55C丝杠经渗氮+淬火复合处理后，最表层硬度在520HV0.1左右，亚表层硬度在720HV0.1左右，比单纯淬火硬度高250HV0.1。
在载荷100N，速率10mm/s，油润滑摩擦条件下，淬火与氮化+淬火处理试样摩擦系数对比如图4所示，淬火丝杠试样在跑和磨损结束后极时间内摩擦系数快速上升到0.33左右，油膜损坏，随后随着运行时间缓慢上升，运行至2小时时摩擦系数升到0.6，且还在继续上升；而渗氮+淬火复合处理试样摩擦系数随着磨损时间慢慢上升，但增幅较小，跑和磨损后，摩擦系数在0.12左右，运行2小时候摩擦系数在0.25左右。氮化+淬火处理技术减摩抗磨效果良好。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于储油二次润滑的金属工件，其特征在于，所述金属工件表面均匀分布有孔隙，所述孔隙的孔径为100nm～1.5μm。
2.如权利要求1所述的金属工件，其特征在于，所述金属工件最表层硬度达520HV0.1，亚表层硬度达720HV0.1。
3.一种基于储油二次润滑的金属工件表面氮化+淬火复合处理方法，其特征在于，包括：
试样预处理；
氮化处理，在试样表面形成氮化层；
淬火处理，分解氮化物，在试样表层产生微孔，即得。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预处理为将试样加热至600～720℃退火、打磨、清洗。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氮化处理为气体渗氮或离子渗氮。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气体渗氮的工艺条件为：520℃～560℃下渗氮6h～15h，随炉冷却至100℃后，出炉；
或所述离子渗氮的工艺条件为：在渗氮气氛、炉压为150Pa～400Pa下、于400℃～600℃渗氮2h～8h。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述淬火处理为普通淬火、感应淬火激光淬火、水冷或淬火液冷却。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述淬火处理条件为：将试样加热至850℃，保温30min，水淬；
或所述淬火为感应淬火，具体条件为表1所示。
9.权利要求3-8任一项所述方法制备的金属工件。
10.权利要求1、2或9任一项所述的金属工件在制备易磨损零部件中的应用，其特征在于，所述易磨损零部件包括：齿轮、滑块、轴承、浮动油封、轴、丝杠。
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