專利名稱：離子滲氮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在輝光放電情況下在金屬材料的表面浸透并擴(kuò)散氮 的離子滲氮方法。
背景技術(shù)：
滲氮處理是在金屬材料的表面浸透并擴(kuò)散氮從而形成堅(jiān)固的氮化物 的表面改性處理，為了硬化該表面從而提高其耐磨性，滲氮處理己被廣泛使用。所述滲氮處理通常用于主要由周期表中的第8 (vniB)族金屬組成的材料，例如不銹鋼等鐵族合金。由于鐵族合金等被空氣中的氧氧化，在該鐵族合金等的表面上會(huì)自 發(fā)形成氧化鐵鈍化膜。該鈍化膜阻礙滲氮過(guò)程，導(dǎo)致滲氮效率降低。因此，在滲氮處理前通常會(huì)進(jìn)行去除鈍化膜的處理。將不銹鋼浸入 氰化物水溶液等中的濕式方法已被用作常規(guī)去除處理。然而，濕式方法 并不方便，這是由于氰化物是有毒的，從而使操作者有負(fù)擔(dān)，并且必須 在車間內(nèi)安裝去除裝置。此外，在該方法中，需要處理使用后的廢液的 設(shè)備，因此增加了設(shè)備投資。為解決上述問(wèn)題，在專利文獻(xiàn)1和非專利文獻(xiàn)1中提出了通過(guò)濺蝕 去除鈍化膜的方法。在專利文獻(xiàn)1和非專利文獻(xiàn)1中，報(bào)道了將氫氣與 氮?dú)饣驓錃馀c氨氣的混合氣體引入處理爐內(nèi)，在該處理爐內(nèi)產(chǎn)生輝光放 電，從而生成氫離子和氨離子，并通過(guò)所述離子還原和去除鈍化膜。鈍 化膜還原裝置和氮化物擴(kuò)散裝置在非專利文獻(xiàn)1中都有所描述。此外，專利文獻(xiàn)2中提出的方法包括下述步驟僅將氫氣引入溫度低于35(TC、優(yōu)選低于15(TC的處理爐中，并在相對(duì)低的溫度開(kāi)始?xì)錃鉃R 蝕。專利文獻(xiàn)2中描述了IT被擴(kuò)散并浸透到鐵族合金類材料的內(nèi)部后， 將所述材料加熱到等于或高于鈍化膜的還原溫度的溫度，從而將ET轉(zhuǎn)移到材料表面，因此可從內(nèi)部還原鈍化膜。專利文獻(xiàn)1:日本特公平2-2945號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:國(guó)際公開(kāi)第WO 01/34867號(hào)小冊(cè)子非專利文獻(xiàn)l:高瀨孝夫，Ion Nitriding Method (離子滲氮方法)，jppeara"" o/&Va/ 0/S0力A^n^"g Me決o《KINZOKU， 1973年3月特刊，第48到54頁(yè)發(fā)明內(nèi)容當(dāng)用專利文獻(xiàn)1或非專利文獻(xiàn)1中所述的方法從具有相對(duì)高的Or或 Ni含量的鋼中還原和去除鈍化膜時(shí)，由于在某些情況下H"或,4+的擴(kuò) 散深度較小，所以不能充分地去除鈍化膜。在這種情況下，不利的是， 通過(guò)滲氮處理所形成的化合物層或滲氮層的厚度不一致，或者僅在鋼的 一部分形成化合物層或滲氮層。在專利文獻(xiàn)2中所述的方法中，只發(fā)生了氫離子進(jìn)入鐵族合金類基 材的擴(kuò)散和浸透，鈍化膜未被還原。諸如氫離子的擴(kuò)散深度、滲透量和 分布等擴(kuò)散和浸透狀況隨濺蝕條件發(fā)生較大變化。當(dāng)氫離子被擴(kuò)散并滲 透到過(guò)深的位置，或者當(dāng)氫離子的滲透量過(guò)大時(shí)，氫離子通常會(huì)導(dǎo)致氫 脆化。在內(nèi)燃機(jī)的復(fù)雜部件等中，這種傾向格外顯著。因而，例如，由于氫離子的殘留而使鐵族合金類基材發(fā)生所謂的氫 脆化，為了能夠避免這種情況的發(fā)生，必須通過(guò)高度精確地控制濺蝕條 件，從而使氫離子達(dá)到所期望的擴(kuò)散和滲透狀態(tài)。然而，為了進(jìn)行如此 高精度的控制，必須通過(guò)重復(fù)多次試驗(yàn)的煩雜操作來(lái)得到數(shù)據(jù)。本發(fā)明的一般目的是提供一種能在安全的環(huán)境下容易并簡(jiǎn)便地實(shí)施 的離子滲氮方法。本發(fā)明的主要目的是提供一種能以較低的材料采購(gòu)成本實(shí)施的離子 滲氮方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能產(chǎn)生化合物層和滲氮層的離子滲 氮方法，所述化合物層和滲氮層具有較大的厚度，而且在任何部位都是 基本均勻的。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能避免經(jīng)滲氮處理的金屬材料脆化 的離子滲氮方法。本發(fā)明的一個(gè)方面提供了 一種離子滲氮方法，所述方法包括向金屬 材料通電，從而產(chǎn)生輝光放電并對(duì)所述金屬材料實(shí)施滲氮處理，其中， 在氨基樹(shù)脂的存在下對(duì)所述金屬材料進(jìn)行離子滲氮。在氨基樹(shù)脂的存在下加熱金屬材料時(shí)，氨基樹(shù)脂被熱分解，從中游離出C、 N禾BH。游離的C、 N和H與O反應(yīng)生成HCN或NO， HCN或 NO攻擊鈍化膜，最終使鈍化膜消失。因此，在本發(fā)明中，通過(guò)在氨基樹(shù) 脂的存在下加熱金屬材料這樣非常簡(jiǎn)單的方法，能容易地將該金屬材料 表面上的鈍化膜基本上全部去除。此外，根據(jù)物質(zhì)安全數(shù)據(jù)表(Material Safety DataSheet)，氨基樹(shù)脂 是無(wú)毒的，因此所述方法可以在安全的環(huán)境下進(jìn)行。應(yīng)注意，由于上述 HCN的產(chǎn)生量很少，只有幾千ppm，并在廢氣燃燒中迅速分解成氮?dú)夂?二氧化碳，因此并不特別需要HCN去除設(shè)備。在加熱過(guò)程中也發(fā)生了鈍化膜的去除，因此在本發(fā)明中不需要去除 鈍化膜的溫度維持步驟。因而，由于鈍化膜的去除，完成離子滲氮處理 所需的時(shí)間沒(méi)有延長(zhǎng)，離子滲氮處理的效率也沒(méi)有降低。氨基樹(shù)脂被熱分解成氣相，并在金屬材料周圍作為氛圍氣存在。所 述氣相包含的游離的N作為金屬材料滲氮用氮源。與在氨基樹(shù)脂不存在的情況下進(jìn)行離子滲氮的金屬材料相比，在氨 基樹(shù)脂的存在下進(jìn)行離子滲氮的金屬材料具有更高的硬度，并且其硬化 區(qū)向內(nèi)部延伸得更深。在本發(fā)明中，可以在不對(duì)所用氣體的類型和比例、 反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行精確控制的情況下進(jìn)行離子滲氮處理，只要 該處理是在氨基樹(shù)脂的存在下進(jìn)行的即可。通過(guò)本發(fā)明的方法可以硬化 各種金屬材料。因此，本發(fā)明在氨基樹(shù)脂的存在下進(jìn)行的離子滲氮處理簡(jiǎn)單且容易， 與在不存在氨基樹(shù)脂的條件下經(jīng)離子滲氮處理的金屬材料相比，本發(fā)明 的方法能使金屬材料的硬度增加得更多。此外，在本發(fā)明中，金屬材料 的硬化區(qū)向內(nèi)部延伸得更深。硬度增加的金屬材料在耐磨性和強(qiáng)度方面很優(yōu)異。因此，在本發(fā)明 中可以得到不易磨損的高強(qiáng)度的金屬材料。例如，可以將氨基樹(shù)脂涂布在金屬材料表面。在這種情況下，優(yōu)選 的是采用溶劑將氨基樹(shù)脂涂布在金屬材料的表面，從而降低涂布的不均 勻性，并使鈍化膜的去除和滲氮在金屬材料的任何部位都能基本均勻地 進(jìn)行?？蓪被鶚?shù)脂與金屬材料一起放入熱處理爐內(nèi)，從而進(jìn)行加熱處理 來(lái)代替涂布。所述氨基樹(shù)脂是通過(guò)氨基和甲醛間的縮聚所產(chǎn)生的樹(shù)脂。這樣的樹(shù) 脂的代表性實(shí)例包括三聚氰胺樹(shù)脂、尿素樹(shù)脂、苯胺樹(shù)脂和甲醛樹(shù)脂。在這些樹(shù)脂中，特別優(yōu)選的是三聚氰胺樹(shù)脂，所述三聚氰胺樹(shù)脂優(yōu) 選包含組成式為C6H3N9的重復(fù)單元。這種情況下，在離子滲氮處理過(guò)程 結(jié)束后，樹(shù)脂的殘?jiān)鼛缀醪粫?huì)附著在熱處理爐內(nèi)，從而使維護(hù)頻度顯著 降低，并使維護(hù)工作能容易地進(jìn)行。可施加離子滲氮處理的金屬材料的優(yōu)選實(shí)例包括主要由元素周期表第8族元素組成的合金，例如Fe合金和Ni合金等。優(yōu)選的是將熱處理爐用作陽(yáng)極、將金屬材料用作陰極來(lái)給所述金屬 材料通電。在這種情況下，不需要在熱處理爐內(nèi)設(shè)置其他電極，從而簡(jiǎn) 化了結(jié)構(gòu)。


圖1是顯示在本發(fā)明的實(shí)施方式的離子滲氮方法中所用的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥的示意性全體構(gòu)成圖；圖2是顯示離子滲氮方法的溫度模式的實(shí)例的圖；圖3是顯示并用了以滲氮?dú)怏w進(jìn)行離子滲氮處理的離子滲氮方法的 溫度模式的實(shí)例的圖；圖4是顯示進(jìn)行氫濺蝕處理和離子滲氮處理時(shí)的溫度模式的實(shí)例的圖；圖5是顯示在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的離子滲氮方法中所用的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥的示意性全體構(gòu)成圖；圖6是表示由離子滲氮處理所形成的滲氮層的厚度和等離子體滲氮 處理前后的HV的圖表；和圖7的圖表顯示發(fā)動(dòng)機(jī)閥的材料，并顯示將在使用三聚氰胺樹(shù)脂的 條件下進(jìn)行氣體軟滲氮處理后所形成的化合物層或滲氮層的厚度和表面 硬度與在不使用三聚氰胺樹(shù)脂的條件下進(jìn)行氣體軟滲氮處理后的情況所 進(jìn)行的比較。
具體實(shí)施方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的離子滲氮方法的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì) 描述。本實(shí)施方式的離子滲氮方法包括第一步驟，將氨基樹(shù)脂涂布在如 圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10 (金屬部件)的表面；以及第二步驟，對(duì)涂布有氨基樹(shù)脂的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥io進(jìn)行離子滲氮處理。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO安裝于汽車的內(nèi)燃機(jī)內(nèi)，并且往復(fù)運(yùn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn) 氣閥10具有寬的頭部12、長(zhǎng)的桿部14和端部16的完整結(jié)構(gòu)，并由 SUH11M組成。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10是含Cr的鋼材，即為含Cr的 Fe合金。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的表面，F(xiàn)e合金SUH11M被空氣中的氧所氧化， 從而自發(fā)形成氧化物鈍化膜。因此，第一步首先將氨基樹(shù)脂涂布在該鈍 化膜上。所述氨基樹(shù)脂是通過(guò)氨基(_NH2)和甲醛之間的縮聚所形成的樹(shù)脂， 其代表性實(shí)例包括由下述結(jié)構(gòu)式(1)所表示的三聚氰胺樹(shù)脂、由下述結(jié) 構(gòu)式(2)所表示的尿素樹(shù)脂、由下述結(jié)構(gòu)式(3)所表示的苯胺樹(shù)脂和 甲醛樹(shù)脂等。這些氨基樹(shù)脂都可以以固體狀或粉末狀商購(gòu)獲得。[結(jié)構(gòu)式1]<formula>formula see original document page 7</formula>[結(jié)構(gòu)式2]<formula>formula see original document page 8</formula>[結(jié)構(gòu)式3]<formula>formula see original document page 8</formula>所述氨基樹(shù)脂特別優(yōu)選的是包含組成式為C6H3N9的重復(fù)單元的三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂。C6H3N9是專門用于鹽浴滲氮的物質(zhì)。用CsH3N9進(jìn)行離子滲氮處理時(shí)，樹(shù)脂的殘?jiān)鼛缀醪粫?huì)附著在熱處理爐的內(nèi)壁上，這是 有利的。在第一步驟，雖然可以將上述氨基樹(shù)脂粉末直接涂布在所述金屬材 料的表面上，但優(yōu)選的是把氨基樹(shù)脂粉末分散在水等溶劑中制成懸浮液， 將該懸浮液涂布在所述金屬材料的表面。在這種情況下，可以降低涂布 的不均勻性，因此可以使所形成的化合物層或滲氮層的厚度等基本上是 一致的?？梢酝ㄟ^(guò)使用刷子的刷涂法來(lái)實(shí)現(xiàn)涂布。當(dāng)然，也可以采用除了刷 涂法以外的已知涂布技術(shù)。將氨基樹(shù)脂直接涂布或優(yōu)選通過(guò)使用懸浮液進(jìn)行涂布后，將發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)氣閥IO和熱處理爐電連接到電源上。在此過(guò)程中，將熱處理爐的爐壁 作為陽(yáng)極、將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10作為陰極來(lái)連接。然后，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO放入熱處理爐內(nèi)，并將該熱處理爐密封以 開(kāi)始第二步驟。開(kāi)始進(jìn)行熱處理爐內(nèi)的抽真空過(guò)程，同時(shí)開(kāi)始熱處理爐 的升溫過(guò)程。升溫速度可以是3X:/分鐘 5T:/分鐘。在熱處理爐的升溫過(guò)程中，氨基樹(shù)脂開(kāi)始分解。因此，氨基樹(shù)脂中 所含的C、 N和H從中游離出來(lái)以形成HCN。在O與之反應(yīng)的情況下，還生成NO。通過(guò)HCN或NO的攻擊，鈍化膜被還原并最終被除去。以 這種方式暴露出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的活性金屬表面。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，通過(guò)將氨基樹(shù)脂涂布至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣闊 IO(金屬材料)然后進(jìn)行加熱的簡(jiǎn)便操作，該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10表面上的幾 乎所有鈍化膜都能被輕易除去。此外，在該方法中，可以利用熱處理爐 等己經(jīng)存在的設(shè)備，因此不需要特別增加設(shè)備投資。應(yīng)注意的是，上述HCN的產(chǎn)生量很少，只有幾千ppm左右，并且 在熱處理爐的溫度升高時(shí)發(fā)生燃燒，因此不需要裝配HCN去除設(shè)備。此 外，在該實(shí)施方式中不需要進(jìn)行例如使用氫氟酸來(lái)去除氧化物膜的處理 等的任何預(yù)處理，并且氨基樹(shù)脂無(wú)毒，因此該方法可以在安全的環(huán)境下 進(jìn)行。如圖2的溫度模式所示，當(dāng)將熱處理爐加熱到預(yù)定溫度后，開(kāi)始向 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10和熱處理爐通電。電流和電壓分別可以是約25A和約 220V 250V。隨著通電的開(kāi)始，在熱處理爐的爐壁陽(yáng)極和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥 10陰極之間產(chǎn)生輝光放電。產(chǎn)生輝光放電時(shí)，從氨基樹(shù)脂中游離出的N攻擊發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10 的暴露的金屬表面。結(jié)果，游離的N被浸透和擴(kuò)散到金屬表面內(nèi)，從而 使表面滲氮。此時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO的鈍化膜已被除去，所以N不必透過(guò)鈍 化膜。因此，可以縮短滲氮處理所需的時(shí)間，并且可以降低熱能。此外，在該實(shí)施方式中，由于鈍化膜可在進(jìn)行滲氮處理的升溫過(guò)程 中被除去，因此該方法可以在沒(méi)有特別的加熱處理步驟(例如使金屬材 料保持在一定溫度以去除鈍化膜的處理)的情況下進(jìn)行。因而，滲氮處 理的效率不會(huì)因用氨基樹(shù)脂除去鈍化膜而降低。當(dāng)將N浸透或擴(kuò)散到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的表面內(nèi)部時(shí)，形成了化合物 層或滲氮層。與在除了不存在氨基樹(shù)脂之外的相同條件下進(jìn)行的氣體軟 滲氮處理的情況相比，所述滲氮層或化合物層的厚度(即，氮在發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)氣閥10內(nèi)的擴(kuò)散距離)非常大。也即，對(duì)于在氨基樹(shù)脂的存在下去除 鈍化膜然后對(duì)金屬材料進(jìn)行離子滲氮的情況來(lái)說(shuō)，化合物層和滲氮層的厚度可以增加，結(jié)果，即使是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的更深的部位仍可被硬化。具體而言，在使用SUH11M的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的情況下，通過(guò)傳 統(tǒng)的氣體軟滲氮處理所形成的化合物層的厚度約為40 Mm，而通過(guò)使用三 聚氰胺-甲醛樹(shù)脂的本實(shí)施方式所形成的化合物層的厚度約為81 pm。因 此，與進(jìn)行傳統(tǒng)的氣體軟滲氮處理所得的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥相比，通過(guò)本實(shí) 施方式的處理所得的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10在更深的部位具有高硬度。本實(shí)施方式的離子滲氮處理后，通過(guò)電子探針微量分析儀(EPMA) 可以觀察到在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO上所形成的致密的馬氏體。如上所述，在本實(shí)施方式中，直接或通過(guò)使用溶劑將氨基樹(shù)脂涂布 在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的表面，然后將該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10加熱，從而使該 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO上的幾乎所有的鈍化膜都可被容易且簡(jiǎn)便地除去。當(dāng)對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10進(jìn)行離子滲氮處理時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10被基本均勻地 滲氮。因此，可以降低化合物層或滲氮層的厚度不均勻性，減少?zèng)]有化 合物層或滲氮層的部位的產(chǎn)生，并使所得的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO即使在更深 的部位仍具有較大厚度的化合物層或滲氮層，因此甚至在很深的內(nèi)部都 具有高硬度。此外，在本實(shí)施方式中，除去鈍化膜和實(shí)施離子滲氮處理可以使用 相同的試劑。因此，可以降低材料獲得成本。爐的升溫過(guò)程是連續(xù)的。例如，當(dāng)溫度達(dá)到52(TC后，將此溫度保 持60分鐘左右。抽真空過(guò)程也是連續(xù)的，從而使?fàn)t的內(nèi)部壓力維持在約 0,7托 1,5托。在上述步驟中，在將包含組成式為C6H3N9的重復(fù)單元的樹(shù)脂涂布在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO上的情況下，樹(shù)脂的殘?jiān)鼛缀醪粫?huì)附著在熱處理爐的壁 上。因此，可以顯著降低熱處理爐的維護(hù)頻度，并使維護(hù)工作本身能簡(jiǎn) 便而容易地進(jìn)行。此外，可以增加化合物層的厚度。溫度保持步驟終止后，將溫度降低到約200°C，打開(kāi)熱處理爐，并 取出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10。通過(guò)離子滲氮處理在所取出的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的 表面形成了化合物層和滲氮層。由于這種化合物層或滲氮層的存在，所 取出的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的表面堅(jiān)硬。如圖3所示，溫度達(dá)到約50(TC后，可將氨氣和RX氣等的混合氣體 通入爐內(nèi)，在通氣時(shí)可以保持上述溫度。在這種情況下，氨氣被離子化 從而生成氮離子，該氮離子與還原并去除了鈍化膜的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的 表面碰撞。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO的表面也被該氣體滲氮，從而在該表面上形 成化合物層或滲氮層。如圖4所示，輝光放電開(kāi)始后，在繼續(xù)升溫的同時(shí)，在高于400°C 的點(diǎn)(圖4所示的點(diǎn)A)可以開(kāi)始導(dǎo)入氫氣，可以在通過(guò)氨基樹(shù)脂還原 并去除鈍化膜的同時(shí)，通過(guò)氫氣濺蝕將鈍化膜還原并去除。例如，熱處 理爐的內(nèi)壓可以為約0.7托 1.5托。將氫氣轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)，在電場(chǎng)作用下，該等離子體中的HT與發(fā)動(dòng) 機(jī)進(jìn)氣閥10的表面碰撞。該tf作為擴(kuò)散性氫離子進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥 IO表面上的鈍化膜內(nèi)。由于所述溫度足以還原鈍化膜，所以被引入的擴(kuò)散性氫離子迅速與 鈍化膜反應(yīng)。因而，擴(kuò)散性氫離子攻擊鈍化膜以還原并去除所述膜。鈍 化膜的還原產(chǎn)生了&0，該H20被迅速排出體系外。在以35(TC以下的溫度開(kāi)始?xì)錃鉃R蝕的情況下，由于鈍化膜未被還 原，所以氫離子僅被擴(kuò)散并滲透到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10內(nèi)。在以高于35(TC 且不高于40(TC的溫度開(kāi)始?xì)錃鉃R蝕的情況下，與鈍化膜的還原速度相 比，氫離子的擴(kuò)散和滲透速度更快。.在這種情況下，諸如氫離子的擴(kuò)散深度、滲透量和分布等氫離子的 擴(kuò)散和滲透特性都隨濺蝕條件發(fā)生較大變化。例如，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，氫 離子的擴(kuò)散滲透量或擴(kuò)散滲透深度過(guò)度增加。因此，在400'C以下的溫度 范圍內(nèi)，必須高度精確地控制濺蝕條件，以便使氫離子得到所需的擴(kuò)散 和滲透特征。相反，在以高于40(TC的高溫開(kāi)始?xì)錃鉃R蝕的情況下，擴(kuò)散性氫離 子與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO碰撞并滲透入鈍化膜內(nèi)，迅速導(dǎo)致該鈍化膜的迅速 還原，因此被迅速消耗。同時(shí)，氫氣從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO的內(nèi)部溢出，從 而即使在電壓過(guò)高時(shí)，氫離子的擴(kuò)散滲透量或擴(kuò)散滲透深度也沒(méi)有過(guò)度 增加。這樣可以容易地控制鈍化膜的還原和去除。優(yōu)選的是，氫氣濺蝕在45(TC以上的溫度進(jìn)行。在此溫度范圍內(nèi)， 氫離子從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO高速溢出，另一方面，鈍化膜的還原顯著加快。這樣可以在不對(duì)濺蝕條件進(jìn)行高度精確控制的情況下將鈍化膜還原并去 除。優(yōu)選的是，在溫度保持過(guò)程中，除了滲氮?dú)怏w外還供給氫氣。在這 種情況下，氫氣濺蝕與離子滲氮同時(shí)進(jìn)行，因此可以避免在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10的表面上再次生成鈍化膜。滲氮?dú)怏w和氫氣的體積比可以是例如 2:1。下面將描述第二個(gè)實(shí)施方式，所述實(shí)施方式包括下述步驟將氨基 樹(shù)脂放入容器內(nèi)，并將該容器與圖5所示的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20 —起放入熱 處理爐內(nèi)。在第二個(gè)實(shí)施方式中，沒(méi)有將氨基樹(shù)脂涂布在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥 20的表面上，而是將其以粉末狀態(tài)放入熱處理爐內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20具有寬的頭部22、長(zhǎng)的桿部24和端部26。在從中 央部位起距離頭部22稍近的部位將桿部24分開(kāi)。這樣，桿部24就具有 第一桿部28和第二桿部30，該第二桿部30比第一桿部28稍長(zhǎng)。頭部22和第一桿部28由NCF600組成，第二桿部30和端部26由 SUH11M組成。在該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20的表面，NCF600和SUH11M自發(fā) 氧化，從而形成氧化物鈍化膜。將具有這樣的結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣闊20首先用有機(jī)溶劑等進(jìn)行脫脂 處理，然后與上述氨基樹(shù)脂一起放入熱處理爐中。然后將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥 20和熱處理爐的爐壁電連接到電源，其中所述閥20作為陰極，所述爐壁 作為陽(yáng)極，從而開(kāi)始通電。電流和電壓分別可以是約25A和約220 V 250 V。將氨基樹(shù)脂放入熱處理爐內(nèi)時(shí)，氨基樹(shù)脂的量可以是金屬材料重量 的約1% 10%。例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20的重量為10 kg時(shí)，可向容 器中加入O.l kg l kg的氨基樹(shù)脂，并將其放入熱處理爐內(nèi)。然后，通過(guò)以圖2到圖4所示的方式進(jìn)行離子滲氮處理，在發(fā)動(dòng)機(jī) 排氣閥20上形成化合物層和滲氮層。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20的材料可包括諸如30Nil5Cr或75Nil5Cr等所謂的超合金。例如，當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20中使用75Nil5Cr的情況下，將發(fā) 動(dòng)機(jī)排氣閥20和三聚氰胺樹(shù)脂放入熱處理爐內(nèi)(三聚氰胺樹(shù)脂與發(fā)動(dòng)機(jī) 排氣閥20的重量比為5% )，并在輝光放電下將其在54CTC保持2小時(shí)以 進(jìn)行離子滲氮處理，從而可形成厚度約為5 pm的化合物層。頭部22和第一桿部28的材料并不限定為NCF600，可以是NCF3015、 NCF440等。第二桿部30和端部26的材料也不限定為SUH11M,可以是 SKH51等。通過(guò)向NCF3015、 NCF440和SKH51進(jìn)行上述氫氣濺蝕處理 和離子滲氮處理所形成的滲氮層的Hv和厚度列于圖6中。在使用NCF600 和SUH11M的情況下，在50(TC開(kāi)始滲氮處理，滲氮處理開(kāi)始后20分鐘， 將熱處理爐的溫度升到520。C，并將此溫度保持40分鐘。另一方面，在 使用NCF3015或SKH51的情況下，在520'C開(kāi)始滲氮處理，停止升溫， 并將52(TC的溫度保持60分鐘。在本實(shí)施方式中，以此方法可以將鈍化膜從各種金屬材料的表面容 易并簡(jiǎn)便地去除，從而加速滲氮處理。此外，可以在氨基樹(shù)脂的存在下 對(duì)任何材料進(jìn)行離子滲氮，而不必對(duì)所用氣體的類型和比例、反應(yīng)溫度 和反應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行精確的控制。在離子滲氮處理中的保持溫度并不限定為約52(TC的上述溫度。但 當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，與鈍化膜的還原和去除速度相比，其再生速度過(guò)快，并 且所產(chǎn)生的氮化物擴(kuò)散入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10或發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥20，使得滲氮 層難以形成。為了防止鈍化膜的再生和氮化物的擴(kuò)散，所述溫度優(yōu)選為 59(TC以下，更優(yōu)選為55(TC以下，最優(yōu)選為520°C 540°C。雖然在上述實(shí)施方式中將鐵族合金和Ni合金用作金屬材料，但金屬 材料并不特別局限于此。所述金屬材料可以是由以周期表的第8族金屬 元素為主要成分的金屬合金(例如Cr合金等)所構(gòu)成的部件?？梢愿鶕?jù) 被加工材料適宜地選擇等離子滲氮處理的條件，例如保持溫度和處理時(shí) 間等。在上述實(shí)施方式中，以爐壁作為陽(yáng)極，以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10作為陰極 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥IO進(jìn)行通電。例如，可以將電極安裝在熱處理爐內(nèi)，以 此電極作為陽(yáng)極，以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10作為陰極來(lái)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥10進(jìn)行通電。實(shí)施例實(shí)施例1用圖7所示的各金屬材料制成發(fā)動(dòng)機(jī)閥，將所述發(fā)動(dòng)機(jī)閥和三聚氰胺樹(shù)脂放入熱處理爐中，并在52(TC將發(fā)動(dòng)機(jī)閥離子滲氮化60分鐘。作 為對(duì)比，除了不將三聚氰胺樹(shù)脂放入熱處理爐中之外，以同樣的方式將 金屬材料離子滲氮化。在三聚氰胺樹(shù)脂的存在下被離子滲氮化的各發(fā)動(dòng) 機(jī)閥的化合物層或氮化物層的厚度和表面硬度列于圖5，這些數(shù)值以在沒(méi) 有三聚氰胺樹(shù)脂的存在下被離子滲氮化的各發(fā)動(dòng)機(jī)閥的相應(yīng)數(shù)值的倍數(shù) 表示。從圖5中清楚地發(fā)現(xiàn)，在離子滲氮處理中通過(guò)使用三聚氰胺樹(shù)脂 可以增加化合物層或氮化物層的厚度和表面硬度。這意味著當(dāng)在三聚氰 胺樹(shù)脂的存在下進(jìn)行離子滲氮處理時(shí)，鈍化膜被去除，并且滲氮基本均 勻地?cái)U(kuò)展到金屬材料內(nèi)的深處。 工業(yè)實(shí)用性在本發(fā)明中，在氨基樹(shù)脂的存在下對(duì)金屬材料進(jìn)行離子滲氮處理。 通過(guò)這種簡(jiǎn)單的步驟，各種金屬材料表面上的鈍化膜易于在安全的工作 環(huán)境下被除去，并且該表面易于進(jìn)行滲氮。因此，可以在金屬材料的幾 乎整個(gè)表面上形成具有基本均勻厚度的化合物層和滲氮層。此外，在本發(fā)明中，可以增加化合物層或滲氮層的厚度。換句話說(shuō)， 即使在內(nèi)部深處的部位，金屬材料也能顯示出改善的硬度、強(qiáng)度和耐磨 性等。
權(quán)利要求
1.一種離子滲氮方法，所述離子滲氮方法包括向金屬材料(10)通電，從而產(chǎn)生輝光放電，以在所述金屬材料(10)上進(jìn)行滲氮處理，其中，在所述的滲氮處理中，在氨基樹(shù)脂的存在下對(duì)所述金屬材料(10)進(jìn)行滲氮處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的離子滲氮方法，其中，在進(jìn)行所述的離子滲 氮前，將所述氨基樹(shù)脂涂布于所述金屬材料(10)的表面。
3. 如權(quán)利要求2所述的離子滲氮方法，其中，利用溶劑將所述氨基 樹(shù)脂涂布于所述金屬材料(10)的表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的離子滲氮方法，其中，在所述滲氮處理前， 將所述氨基樹(shù)脂和所述金屬材料(10) —起放入熱處理爐中。
5. 如權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的離子滲氮方法，其中，所述氨基 樹(shù)脂是三聚氰胺樹(shù)脂、尿素樹(shù)脂、苯胺樹(shù)脂或甲醛樹(shù)脂。
6. 如權(quán)利要求5所述的離子滲氮方法，其中，所述三聚氰胺樹(shù)脂包含組成式為C6H3N9的重復(fù)單元。
7. 如權(quán)利要求1到6任一項(xiàng)所述的離子滲氮方法，其中，將熱處理 爐用作陽(yáng)極，將所述金屬材料(10)用作陰極來(lái)進(jìn)行通電。
全文摘要
本發(fā)明提供一種離子滲氮方法。在諸如三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂等氨基樹(shù)脂的存在下將諸如Fe合金或Ni合金等金屬材料(10)加熱時(shí)，所述金屬材料(10)表面上的鈍化膜被還原并去除。在鈍化膜的還原和去除過(guò)程中，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，優(yōu)選為450℃以上時(shí)，也可以進(jìn)行氫濺蝕。通過(guò)輝光放電，用從氨基樹(shù)脂中游離出的N對(duì)具有暴露的活性金屬表面的金屬材料(10)進(jìn)行滲氮。例如，直接或通過(guò)利用水等溶劑將氨基樹(shù)脂涂布在金屬材料(10)的表面上。
文檔編號(hào)C23C8/36GK101238236SQ200680029259
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者山口貴裕, 峯村和男 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社