[发明专利]一种渗氮催化剂

说明书

技术领域

本发明属于化学热处理领域，涉及一种渗氮用催化剂及其制备和使用方法，具体而言是该催化剂可用于钢、钛等金属材料在氮气或氨气等含氮气氛中进行的表面渗氮，降低渗氮的温度。

背景技术

渗氮是将活性氮原子[N]扩散渗入钢、钛等金属表面层的化学热处理技术，可以改善金属表面硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。作为一种重要的表面强化技术，渗氮广泛应用于机械、石油、采矿、国防等领域。常规渗氮方法包括气体渗氮、离子渗氮、盐浴渗氮、催化渗氮、软氮化等等，其中气体渗氮以其设备简单、操作简便、有效可靠等优点，在工业生产中得到普遍应用。

气体渗氮通常在480～560℃处理20～80小时，为了加快渗氮速度，各种催化渗氮技术得到广泛应用，如高压渗氮、感应加热渗氮、形变渗氮、离子渗氮、流态床渗氮、超声波渗氮、洁净氮化、电解催渗、催渗软氮化等等。催化渗氮中所用催化剂已知的有稀土、钛、镍等价格较昂贵的金属，稀土一般以单质的形式与工件一起放入炉内，或以氯化物的形式加入到供氮剂(也称供氮介质，渗氮介质，氮源、渗剂等)中，主要起到缩短渗氮时间的作用。一般地，气体渗氮温度过低时，渗速很慢，同时工件表面不能吸收足够的[N]，硬度提高不大，所以气体渗氮温度一般不低于480℃。2003年，Tong W.P.等发现纯铁等材料经过表面纳米化处理后可在300～400℃进行快速气体渗氮，获得与高温渗氮相同的表面硬度。低温渗氮可以避免在相对高的温度下长时间保温所引起的工件变形、渗氮层变脆以及性能降低(如奥氏体不锈钢耐蚀性下降)等缺陷。但是，这种表面纳米化需要经过比较复杂的处理，不但增加成本，还会导致被渗材料表面粗糙度增大，应用领域受到一定限制。使用催化剂可以不破坏材料原始表面形态，但通过加入催化剂来降低气体渗氮温度的研究还比较欠缺，因此开发低温渗氮催化剂非常必要。

现有气体渗氮技术常用的供氮剂为氨气或者含有氨的混合气，而氨气具有腐蚀性和毒性，对渗氮设备、劳动保护、废气排放等均有严格的要求，不但增加额外的成本，还会造成环境污染。另外，渗氮速度取决于被渗工件表面活性氮原子[N]的供应速度，气体渗氮时[N]来自于氨在被渗工件表面的催化分解，所以氨气及分解产物氢气的流动性对[N]的供应速度有很大影响，对于诸如狭缝、深孔、盲孔之类的特殊部位，气体流动受阻形成“粘滞流”，氢气聚集在工件表面，阻碍了活性氮原子的供应，难以达到理想的渗氮效果。而对于粉末冶金零件之类含有孔隙的材料，往往引起材料内部发生不期望的渗氮，导致性能劣化。可见，用氨气作为供氮剂进行渗氮，还存在各种各样的问题。

氮气是一种资源丰富、无毒无味的中性气体，氮分子N₂是最稳定的双原子分子，其原子间N≡N健的离解能非常高。大量理论和实验研究证明，在气体渗氮条件下(低于600℃，约1atm)，氮分子很难在铁触媒表面离解为氮原子，所以不能用氮气作为钢铁气体渗氮的供氮剂，而是要使用容易离解的氨气。尽管如此，氮气无可比拟的优点仍然吸引人们进行各种尝试。徐冰仲于1983年发现可以采用纯氮在约500℃进行离子渗氮，Berns H于1993年提出不锈钢在1050～1150℃纯氮气氛下可以进行固溶渗氮，而高温高压条件下用氮气进行气体渗氮的方法已经被应用于高氮钢的生产，但是，纯氮气氛下的低温气体渗氮一直没有出现突破。