[发明专利]钢铁材料表面改性处理工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料或钢铁零部件表面的改性处理的工艺方法，属金属材料表面改性处理工艺技术领域。

背景技术

钢铁材料或钢铁零部件表面的改性处理有多种方法，目的主要是为了提高钢铁材料表面的耐磨性和耐蚀性。以往的处理技术有：表面镀硬铬法、盐浴复合处理法、气体渗氮法、渗碳法、氧化法等。盐浴复合处理法是在氮化盐浴和氧化盐浴两种盐浴中处理钢铁工件，实现了渗氮工序和氧化工序的复合，其渗层组织是氮化物和氧化物的复合。盐浴复合处理法受到用盐质量要求的制约，若氮化盐质量达不到要求，会造成渗层稳定性差的缺陷，并且还存在有环境污染问题。至于表面镀硬铬法，则更会造成环境污染，而且国家明文规定，已禁止使用Cr⁶⁺。

在国外已有氮化及后氧化技术，如德国IVA公司制造了将氮化和氧化工序合二为一的联合设备；但冷却过程中采用氮气介质，其冷速缓慢，冷却时间长，使生产效率降低，并引起铁素体中针状γ′相析出，降低材料抗疲劳性能。

近几年来，国内外逐步开展气体氮碳共渗及后氧化、离子氮碳共渗及后氧化技术的研究开发工作，该复合工艺技术已成为当前的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高钢铁材料或钢铁零部件表面耐磨性和耐蚀性的改性处理工艺方法。

本发明一种钢铁材料表面改性处理工艺方法，其特征是采用气体氮碳共渗及后氧化复合处理工艺，并具有以下的工艺过程和步骤：

(1)首先将钢铁材料表面进行真空清洗，随后放于炉内在400℃温度下进行预氧化；

(2)然后将材料放于现有的爱协林箱式氮碳共渗热处理炉内；向炉内输入NH₃、N₂和CO₂的混合气体，加热升温至反应温度550～570℃，反应时间达4小时；

反应结束后采用油冷却方式进行冷却；混合气体流量的体积比为：NH₃∶N₂∶CO₂＝50∶45∶5；

(3)将冷却后的材料，先进行抛光，随后放入氧化炉内，用500～550℃的蒸汽进行后氧化处理1小时，然后再进行抛光；最终制得具有高耐磨性、高耐蚀性表面的钢铁材料。

本发明方法工艺过程中的有关机理解释：气体氮碳共渗及后氧化工艺是在钢铁材料或钢铁零部件表面进行气体氮碳共渗，使金属表面形成一层以ε-F_2-3N和γ-Fe₄N为主的白亮层，次表面为α相扩散层；抛光是去除掉白亮层表面的疏松层；将材料或零部件放入氧化炉内并通入高温水蒸气，使其氧化后在自亮层表层形成一层2～5μm厚的致密Fe₃O₄氧化层；白亮层具有很高的硬度，起到耐磨作用，而表面层Fe₃O₄其化学性能十分稳定，有很好的耐蚀性。因此，经气体氮碳共渗及后氧化工艺处理的材料或零部件表面具有较好的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性，而且降低了摩擦系数。

附图说明

图1为本发明采用的现有的爱协林箱式氮碳共渗热处理炉的外形图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

本实施例中采用汽车制动系统中使用的活塞部件作试验对象，该活塞由10#钢材料制成。

活塞钢表面的处理工艺步骤如下：

(1)首先活塞钢表面进行真空清洗，随后放于炉内在400℃温度下进行预氧化。预氧化可使工件表面形成一层Fe₃O₄，有利于氮化过程，此外可起预热作用，减小工件变形。

(2)将活塞放入现有的爱协林箱式氮碳共渗热处理炉内(参见图1)，向炉内输入NH₃、N₂和CO₂的混合气体；混合气体的体积流量比为：NH₃∶N₂∶CO₂＝50∶45∶5；加热升温至反应温度560℃，反应时间达4小时，反应结束后用油冷却方式进行冷却。

(3)将冷却后的活塞部件先进行抛光，去除表面的亮层表层存在的疏松物质；随后放入氧化炉内用550℃的水蒸汽进行后氧化处理1小时，使在白亮层上面形成一层暗灰色或黑色的Fe₃O₄氧化层；然后再进行一次抛光；最终得到具有高耐磨性、高耐蚀性表面的活塞部件。

经测试，经处理后的活塞部件，其技术性能如下：