离子渗硫及其工艺简介

分类：工艺园地
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发布时间：2018-02-08 15:16
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离子渗硫及其工艺简介

【概要描述】一、概述　　工件（经硬化处理后）经渗硫处理后，其表面可形成多孔、松软的由FeS、FeS2组成的极薄的硫化物层，硫化物层可以降低摩擦系数，减少一般摩擦件的磨损，提高抗咬合性，延长使用寿命。渗硫层还能提高象柴油机缸套那样摩擦件的润滑效果，节约燃油、增大功率输出。硫化铁层的持久润滑效果，更能改善象纲领（一种纺织机械零件）那样高速摩擦、磨损件的工作条件，减小温升；其良好的抗咬合性也有利于消除冷冲模具的粘着

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　　一、概述

　　工件（经硬化处理后）经渗硫处理后，其表面可形成多孔、松软的由FeS、FeS2组成的极薄的硫化物层，硫化物层可以降低摩擦系数，减少一般摩擦件的磨损，提高抗咬合性，延长使用寿命。渗硫层还能提高象柴油机缸套那样摩擦件的润滑效果，节约燃油、增大功率输出。硫化铁层的持久润滑效果，更能改善象纲领（一种纺织机械零件）那样高速摩擦、磨损件的工作条件，减小温升；其良好的抗咬合性也有利于消除冷冲模具的粘着现象，延长服役期限。即使经过表面强化（如工件经渗硼、渗氮或渗氮碳）的工件，再复合以低温离子渗硫，也可进一步提高使用性。

　　二、硫化物层的特性

　　硫化物层的特殊结构使其具有以下一些特性：

　　1、硫化物为密排六方晶体结构，具有优良的减摩、抗摩作用。

　　2、硫化物层质地疏松、多微孔，有利于储存润滑介质。

　　3、硫化物层隔绝了工件间的直接接触，可有效地防止咬合的发生。

　　4、硫化物层软化了接触面的微凸体，在运动过程中有效避免了硬微凸体对对偶面的犁削作用，并起到削峰填谷作用，增大了真实接触面积，缩短磨合时间。

　　5、硫化物层的存在使接触表面形成应力缓冲区，有效提高抗疲劳能力及承载能力。

　　三、可实施离子渗硫的材料

　　可进行离子渗硫的材料种类较多，碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢以及各类硬质合金等均可实施离子渗硫处理。

　　四、离子渗硫工艺中常用的供硫剂

　　离子渗硫工艺中常用的含硫介质有二硫化碳（CS2）和硫化氢（H2S）。

　　1、二硫化碳（CS2）

　　二硫化碳（CS2）是一种无色易挥发液体，其分子量为76，熔点为-111.9℃，沸点为46.24℃，20℃时其密度为1.26g/cm3，20℃时在水中的溶解度度为0.179。二硫化碳溶于乙醇和乙醚。

　　2、硫化氢（H2S）

　　硫化氢（H2S）是一种无色气体，具有强烈刺激的臭鸡蛋气味，其分子量为34，沸点为-60.35℃，25℃时其密度为1.26g/L，具有腐蚀性和毒性。

　　五、离子渗硫及离子含硫多元共渗工艺

　　离子渗硫是一个广义的工艺概念。实际应用中，它包含了单纯的离子渗硫、离子硫氮共渗和离子硫氮碳共渗等多种工艺，以下就这几种工艺逐一进行陈述。

　　（一）离子渗硫工艺

　　离子渗硫通常是在160～300℃的低温下进行的，常用的离子渗硫温度为180～200℃。供硫剂可采用二硫化碳（负压吸入，与丙酮的加入方式相似），也可采用硫化氢气体。其中采用硫化氢作供渗硫源时，一般以H2S—Ar—H2作为渗硫气氛，高纯度（99.999%）的Ar和H2（比例为1:1）作为载体气，H2S的用量为总气体量的3%。

　　混合气的流量约为80～120L/h（对LDMC-75炉型而言）。

　　保温时间依据不同渗层的要求，可选用十几分钟至二小时，所得到的渗层深度从几微米至几十微米。

　　渗层组织是以FeS为主的化合物层，无明显的扩散层。

　　（二）离子硫氮共渗工艺

　　离子渗氮气氛中加入适量的含硫气氛即可实现离子硫氮共渗。高硬度渗氮层的外表面的硫化物层能提高工件的减磨、抗咬合能力。

　　离子硫氮共渗工艺中可使用硫化氢或二硫化碳作为供硫剂。在实际使用过程中，二硫化碳不是直接通入炉内使用，而是使用二硫化碳与水蒸汽的反应气，因此，操作起来有一定的难度，故使用较少。

　　渗氮气氛中通入适量的硫可以提高氮势，降低ε相的形成温度，加速渗氮过程，因而强烈影响渗层特征。随着气氛中含硫量的逐步提高，渗层表面的含硫量开始也随之增高，总渗层也曾厚，但气氛中含硫量增至一定值时，渗层反而开始减薄，尤其在共渗温度高、共渗时间长的条件下，气氛中硫含量过高，工件表面易出现灰黑色粉末状沉积物，渗层脆性高，易剥落。反之，若气氛中含硫量太低，则渗硫效果不明显且硫化物层结合不好。

　　基于以上分析和试验，当以硫化氢为共渗剂时，NH3:H2S以10～30:1较适宜。

　　硫氮共渗的温度依据材料的不同，可在480～570℃范围内选用。硫氮共渗的时间依据对渗层的不同要求，多在两个小时之内。

　　离子硫氮共渗层的组织为多层结构，最表层为硫化物层（硬度低），次表层为氮的化合物层（高硬度区），里层为扩散层。

　　（三）离子硫氮碳共渗工艺

　　在离子氮碳共渗气氛中加入含硫气体，即可实现离子硫氮三元共渗。研究认为，在离子氮碳共渗气氛中加入少量含硫气体，可提高氮和碳的活性，在低温下（如500℃）也易形成ε相（S、N、C的化合物），而且可提高ε相中的含氮量。因此，三元共渗的渗速更高，渗层质量相对更好，同样可提高工件的耐磨性、抗咬合能力和疲劳强度。

　　常用的作为硫氮碳共渗的气体配比有以下两种：

　　（1）CH4:H2S:NH3=3:2:20；

　　（2）（C2H5OH:CS2=2:1）：NH3=1:20

　　离子硫氮碳共渗有两种操作方式，（1）先进行氮碳共渗后再渗硫；（2）通入混合气氛同时进行三元共渗。

　　离子硫氮碳共渗的温度可参照离子氮碳共渗的温度选择，通常在550～580℃范围内。

　　离子硫氮碳共渗的时间依据材料的不同而异，普通钢可选用570℃、2～3小时共渗；高速钢则采用低温（480～540℃）短时（15～120分钟）共渗工艺。

　　离子硫氮碳共渗层的组织为多层结构，自表及里依次为黑色多孔质地较软的FeS薄层、含硫的ε+γ‘化合物层以及含碳和氮的扩散层。

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