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离子渗硫及其工艺简介

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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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