[发明专利]产生经渗氮或碳氮共渗的钢制零件的耐腐蚀表面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生经渗氮或碳氮共渗的钢制零件的耐腐蚀表面的方法。

背景技术

几十年来采用钢表面的渗氮和碳氮共渗以提高钢制零件的耐磨强度和疲劳强度。已知成千上万的应用，例如在汽车制造中曲轴的渗氮和凸轮轴的碳氮共渗。

渗氮和碳氮共渗是非常相似的过程。在渗氮的情况下将元素氮引入零件表面，而在碳氮共渗的情况下氮和以更小程度的碳扩散进入零件表面。这些过程一般在540至630℃，通常在580至610℃的温度下进行。由于加工时间更短，在工业技术上更强烈地实施碳氮共渗。碳氮共渗可以在气体中，在等离子体中或者在熔融的盐中实施。

在碳氮共渗中，在零件表面上形成紧密的铁氮化物层，其中在钢合金化时还包含合金元素的氮化物和碳氮化物。该层称作“连接层”。其除了位于其下方的扩散区以外首先为硬度、韧性和耐磨性的提高负责。连接层的厚度取决于材料、加工时间和温度，通常约为20μm。在外部区域，该连接层总是多孔的，即具有细孔。该所谓的多孔区一般到达连接层的层厚度的10至50％的深度。在连接层厚度为20μm时，多孔区一般为2至10μm。

已知若在碳氮共渗之后接着进行表面氧化，则经渗氮或碳氮共渗的钢材表面除了上述的耐磨强度以外还具有高的耐腐蚀性。通过氧化而在连接层上产生薄的紧密的铁氧化物层，其可以是一微米至若干微米厚的一小部分。此外，连接层的孔用铁氧化物填充。因此在经碳氮共渗的表面上产生钝化层，其主要由黑色的铁氧化物磁铁矿(Fe₃O₄)组成，并赋予零件高的耐腐蚀性。

可以利用气体如二氧化碳、氮氧化物或水蒸汽进行经碳氮共渗的层的氧化。还可将熔融的盐用于氧化，通常利用由碱金属氢氧化物、碱金属硝酸盐、碱金属亚硝酸盐以及碱金属碳酸盐组成的盐混合物。

因此，经处理的即经碳氮共渗和氧化的零件除了提高的耐磨性以外还具有显著提高的耐腐蚀性。例如若表面在熔融的盐中进行碳氮共渗，则依照标准DIN EN ISO 9227：2006测得的未经合金化的钢材C15对于浓度为1％的食盐溶液在35℃下的耐腐蚀性从1小时提高到12至24小时。但是若零件表面在碳氮共渗之后还额外进行氧化，则进一步提高耐腐蚀性至500小时以上的数值。由此超过用于类似目的的通常电镀的层如镍或硬铬的耐腐蚀性。此外，经碳氮共渗和后期氧化的层具有令人愉快的装饰性黑颜色。

但是除了钢材表面的碳氮共渗和氧化的这些积极方面以外，还产生经常被忽略的问题。

许多零件，如液压缸、气压弹簧、球头销钉、球形万向节、气压缸，不得超过功能面上的一定粗糙度。但是现在通过渗氮或碳氮共渗提高了零件表面的粗糙度。随后的氧化仅微不足道地提高粗糙度。Rz值测量被证明是表面的粗糙度或粗糙度改变的度量，因此称作最大粗糙度轮廓高度并且是根据标准DIN EN ISO 4287测得的。对于上述的零件，允许的粗糙度界限是Rz值为1.5μm。

作为经验规则，以下零件被看作是在水力学、气体力学或气压弹簧中使用的零件：

用于这些功能领域中的零件不得超过Rz＝1.5μm的粗糙度。一般而言，这些零件的粗糙度甚至低于1.0μm Rz。

实践经验教导，未经处理的零件的0.5至1.5μm Rz的起始粗糙度通过在熔融的盐中的碳氮共渗而变为两倍至三倍，并通过随后的氧化而提高至初始Rz值的四倍，例如在初始状态Rz＝1μm，在碳氮共渗之后变为Rz＝3μm，而在碳氮共渗及氧化之后变为Rz＝3.5至4μm。

该粗糙度必须通过抛光零件而再次回到所需的低于1.5μm的Rz值，通常低于Rz＝1μm。为此，在工业技术上以如下方式实施：

除了在包括氰酸盐、氰化物和碳酸盐的盐熔体中进行碳氮共渗以外，将零件送入包括碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属硝酸盐和碱金属亚硝酸盐的氧化性熔体，并在此于表面上氧化。同时氧化附着的残余的碳氮共渗熔体，换而言之，在盐浴中碳氮共渗的零件上附着的氰酸盐和少量的氰化物被氧化成碳酸盐。随后将零件在水中浸冷。然后其已经具有所期望的黑颜色、耐磨性和耐腐蚀性。但是，如前所述，粗糙度过高，是起始粗糙度的两倍、三倍或者甚至四倍的数值。因此，将零件从装料支架取下，并抛光。在此，利用抛光圆盘、抛光带，通过用玻璃珠喷射或者通过在振动抛光机中用抛光石磨光，从而在经氧化的表面上再次产生大约Rz＝1μm或者更低的符合要求的粗糙度。