一种离子渗氮的局部镀铜保护方法

技术领域

本发明属于离子渗氮处理技术领域，具体涉及一种离子渗氮的局部镀铜保护方法。

背景技术

二十世纪六十年代离子渗氮理论开始应用于生产实际，至今已经历了近六十年，离子渗氮已经成为离子热处理技术中最成熟、最普及、最富有生命力的工艺。许多产品零件的渗氮需要进行局部防护，气体渗氮的局部防护常常仅限于非渗氮部位的防渗，而离子渗氮的局部防护概念则大为扩展，以下几种情况下均需考虑局部的防护问题：

1、工件上容易产生辉光集中而又可以不渗氮的部位需要屏蔽，如工件上的小孔和窄缝沟槽；

2、不要求渗氮的部位或渗氮后还需要加工(磨削除外)而要求较软的部位；

3、为了减少变形，把渗氮局限在必需渗氮的部位；

4、工件上易形成应力集中的部位渗氮时应进行防护；

5、因不锈钢渗氮后耐蚀性大幅下降，因此，不锈钢工件上要求耐蚀性而不要求提高耐磨性的部位需要防护。

目前，对于离子渗氮的局部防渗一般采用机械屏蔽方法，在不需要渗氮的地方插入、旋入、套上或盖上形状和尺寸合适的钢件，也可以利用工件不需要渗氮的表面相互接触屏蔽，屏蔽物和被屏蔽物处并不要求紧密配合，但应保证屏蔽边缘缝隙不大于0.5mm(此距离内放电辉光不能进入缝隙)。但是，对于上述屏蔽方法，需要制作大量的并且要求适合于工件形状的工装，制作难度大，周期长，成本高，效率低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种离子渗氮的局部镀铜保护方法，其目的在于解决采用机械屏蔽方法进行局部防渗时，制作难度大，周期长，成本高，效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种离子渗氮的局部镀铜保护方法，包括：

向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜。

进一步地，所述向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜，具体为：

将待渗氮工件的非氮化面置于镀铜液中进行电镀，电镀时的温度为16℃～40℃，电流密度为0.3A/dm

进一步地，当所述待渗氮工件为结构钢时，镀铜后的铜层厚度为40μm～70μm。

进一步地，当所述待渗氮工件为不锈钢时，镀铜后的铜层厚度不小于50μm。

进一步地，所述向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜后，还包括：

对镀铜后的待渗氮工件，先在流动冷水中清洗0.3～3分钟，然后在不低于50℃的热水中清洗0.3～3分钟。

进一步地，所述向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜后，还包括：

对镀铜后的待渗氮工件进行除氢处理。

进一步地，所述预处理包括：

对待渗氮工件进行消除应力处理，具体为：

对于渗碳件和表面淬火件，消除应力时的温度为140±10℃，时间不小于3h；

对于最大抗拉强度σ

对于最大抗拉强度σ

进一步地，所述预处理还包括：

对消除应力后的待渗氮工件进行除油处理，具体为：

在70℃～90℃的温度条件下，采用电解除油法进行除油，阴极电解3min～5min，阳极电解1min～3min，电流密度为3A/dm

除油后，在不低于50℃的热水中清洗0.3～3分钟，然后在流动冷水中清洗0.3～3分钟，检查工件表面的水膜是否连续，若水膜不连续则继续除油，直至水膜连续为止。

进一步地，所述预处理还包括：

对除油后的待渗氮工件进行酸腐蚀处理，具体为：

在室温下，用浓度为100g/L～200g/L的盐酸溶液对待渗氮工件进行弱腐蚀，腐蚀时间为0.1～1分钟；

对酸腐蚀处理后的待渗氮工件，在流动冷水中清洗0.3～3分钟。

进一步地，所述预处理还包括：

对酸腐蚀及清洗后的待渗氮工件进行中和处理，具体为：

在室温下，对酸腐蚀及清洗后的待渗氮工件，用浓度为30g/L～50g/L的碳酸钠溶液进行中和，中和时间为0.5～1分钟；

对中和后的待渗氮工件，在流动冷水中清洗0.3～3分钟。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的一种离子渗氮的局部镀铜保护方法，向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜，利用氮在铜中扩散很困难的特性，在化学热处理中，在工件局部不需要渗氮的部位先局部镀上孔隙率低的镀铜层用来局部防渗氮，与制作离子氮化专用工装相比，镀铜保护方法操作简单、周期短、成本低以及效率高，加工的镀铜工件各性能指标都能满足要求且稳定，该技术方法可以在离子渗氮工艺上起到重要的推广应用价值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例离子渗氮十段升温阶段示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一种离子渗氮的局部镀铜保护方法，包括：

向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜。

具体地说，镀铜层呈粉红色，质柔软，具有良好的延展性、导电性和导热性，易于抛光，经适当的化学处理可得古铜色、铜绿色、黑色和本色等装饰色彩。

铜的标准电极电位比较正，在铁基或锌基体上镀铜层属阴极铜层，因此，当镀铜层致密无孔时可以对基体有机械保护作用。利用氮在铜中扩散很困难的特性，在化学热处理中，当钢件局部不需要渗氮的部位先局部镀上孔隙率低的镀铜层用来局部防渗氮。与航标HB/Z20023-2014规定的屏蔽防护方法相比，用镀铜保护的方法可以代替专用工装保护加工离子渗氮工件，并且加工的镀铜工件各性能指标都能满足要求且稳定，与制作离子氮化专用工装相比，镀铜保护方法操作简单、周期短、成本低，技术水平较高，该技术方法可以在离子渗氮工艺上起到重要的推广应用价值。

作为优选的实施方式，向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜，具体如下：

将待渗氮工件的非氮化面置于镀铜液中进行电镀，电镀时的温度为16℃～40℃，电流密度为0.3A/dm

示例性的，电镀时的温度为16℃、20℃、28℃、35℃或40℃，电流密度为0.3A/dm

需要说明的是，镀铜过程中应根据需要及时晃动和翻转工件。

在一实施例中，当待渗氮工件为结构钢时，镀铜后的铜层厚度为40μm～70μm，该厚度下防护效果更好。示例性的，镀铜后的铜层厚度为40μm、50μm、58μm、66μm或70μm。

在一实施例中，当待渗氮工件为不锈钢时，镀铜后的铜层厚度不小于50μm，该厚度下防护效果更好。示例性的，镀铜后的铜层厚度为50μm、55μm、58μm、60μm或75μm。

在上述实施例的基础上，作为更加优选的实施例，向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜后，还包括：对镀铜后的待渗氮工件，先在流动冷水中清洗0.3～3分钟，然后在不低于50℃的热水中清洗0.3～3分钟。

较佳的，对清洗后的工件检查气孔，将清洗后的工件浸渍在溶液中保持5分钟，取出观察工件表面是否有蓝色斑点，若无蓝色斑点，即可确定铜镀层无孔隙；

气孔检查完成后，将工件先在流动冷水中清洗0.3～3分钟，然后在不低于50℃的热水中清洗0.3～3分钟；

清洗后，用清洁干燥的压缩空气对工件进行吹干，除去表面产生的绝缘物。

在上述实施例的基础上，作为更加优选的实施例，向经过预处理后的待渗氮工件的非氮化面进行镀铜后，还包括：对镀铜后的待渗氮工件进行除氢处理，除氢处理条件如下表1。

表1除氢处理条件

在一实施例中，对待渗氮工件的非氮化面进行镀铜之前，需要对待渗氮工件进行预处理，预处理具体如下：

a.对待渗氮工件进行消除应力处理，消除应力处理的条件如下表2。

表2消除应力处理条件表

b.对消除应力后的待渗氮工件进行除油处理，具体为：

用铜丝或夹具对待渗氮工件进行装挂，装挂时应防止产生气袋和接触印，特殊规定者除外；

在70℃～90℃的温度条件下，采用电解除油法进行除油，阴极电解3min～5min，阳极电解1min～3min，电流密度为3A/dm

除油后，在不低于50℃的热水中清洗0.3～3分钟，然后在流动冷水中清洗0.3～3分钟，检查工件表面的水膜是否连续，若水膜不连续则继续除油，直至水膜连续为止。

c.对除油后的待渗氮工件进行酸腐蚀处理，具体为：

在室温下，用浓度为100g/L～200g/L的盐酸溶液(比重1.19)对待渗氮工件进行弱腐蚀，腐蚀时间为0.1～1分钟；

对酸腐蚀处理后的待渗氮工件，在流动冷水中清洗0.3～3分钟。

d.对酸腐蚀及清洗后的待渗氮工件进行中和处理，具体为：

在室温下，对酸腐蚀及清洗后的待渗氮工件，用浓度为30g/L～50g/L的碳酸钠溶液进行中和，中和时间为0.5～1分钟；

对中和后的待渗氮工件，在流动冷水中清洗0.3～3分钟。

还需要说明的是，在一实施例中，在对待渗氮工件进行预处理之前，还需要进行：

工件验收：检查工件表面质量，不允许有碰伤、划痕、压伤、锈蚀等；示例性的，每批应带试样不少于3件，用于金相和硬度检查，严格检查试样表面粗糙度不大于Ra0.4，不合格均应退货；

检验验收：按工件的中心硬度要求，HRA或HRC在试件上检查中心硬度并记录；

生产准备：用汽油、酒精清洗工件和工装，并晾干；若工件或工装表面有浮锈难以清洗，可进行吹细砂，风压≤0.3MPa，吹净表面即可，防止影响尺寸。

采用上述实施例提供的镀铜保护方法对待渗氮工件的非氮化面进行镀铜保护后，可进行离子渗氮，具体如下：

本实施例中，将工件均匀、平稳的放入LDMC-50/30AZF脉冲电源等离子体渗氮设备内，设定辉光电压、保温温度、保温时间、升温速率及保压压力的参数，为了防止工件超温，保证工件受热均匀，严格控制升温速率，设定十段升温阶段参数如下表3以及图1所示。

表3十段升温阶段参数

需要说明的是，7-10段的到达温度和保温时间根据工件的具体材料和渗层要求进行设定；9-10段升温斜率的设定为：凸轮、保持架及薄壁零件选择0.5，其他选择1。

工作电压设定为500V～750V，保压压力设定为460Pa，保温温度和时间如下表4。

表4 6种材料同炉进行离子渗氮工艺参数

工件的保温和冷却：保温过程中每半个小时看一次温度，防止工件超温或掉温；工件保温结束后随炉冷至150℃以下出炉。

检验：送样件在理化计量中心检查氮化层深度，并验收金相报告；HV10或HV5，在维氏硬度计上检测样件氮化面硬度及脆性Ⅰ或Ⅱ级；或HV0.1送样到金相室检测氮化面硬度；按工件要求，HRA或HRC在试件上检查中心硬度。

综上所述，与常规离子氮化工艺相比，本实施例经过改进后的离子氮化工艺参数如上表4所示，升温速率的控制如表3所示，在生产过程中应注意以下几方面：

a渗层深度相同，表面硬度要求不同的材料可以同炉进行离子氮化加工；

b不同材料，相似尺寸的工件可以同炉进行离子氮化加工；

c离子氮化装炉前，检查工件的镀铜质量，应将工件和夹具分别清洗、擦试干净，再仔细装夹好，避免工件清洗不干净或装挂错误而影响升温；

d严格控制升温速率，防止工件因超温或掉温而影响表面硬度和渗层不合格；

e工件保温结束后，应将零件在低于150℃下出炉，避免工件温度过高而氧化严重。

为了验证采用上述实施例提供的离子渗氮的局部镀铜保护方法的效果，分为两个阶段进行：样件的试验阶段和工件的加工验证阶段，具体过程如下：

第一阶段：样件的试验阶段

取5件调质后的38CrMoAl样件进行离子氮化试验，其中3件整体镀铜(铜层厚度40μm～70μm)，2件未镀铜，镀铜样件与未镀铜样件交叉叠在一起放入新离子氮化炉内。工艺参数为：温度500℃，保温10h，加工的结果如下：

(一)、外观上：

结论①：氮化前与氮化后镀铜样件与未镀铜样件都无变化。

(二)、性能上：

(1)、镀铜样件：离子氮化前后表面硬度的对比参见下表5。

表5离子氮化前后表面硬度的对比

结论②：镀铜样件离子氮化后无渗氮层，同时结合表5表明镀铜保护效果很好。

(2)、未镀铜样件：

离子氮化后检查未镀铜样件的渗层和氮化表面硬度：渗层为0.3mm，氮化表面硬度为HV0.1＝1079，报告JB2013-9-65。

结论③：上述结果表明镀铜样件对未镀铜样件离子氮化后的性能无影响。

(三)、表面成分含铜量：

对镀铜样件和未镀铜样件离子氮化后表面成分含铜量进行检测，结果见下表6。

表6(以下成分按重量百分比得出的结果)

结论④：镀铜样件离子氮化后表层无铜层渗入。

结论⑤：未镀铜样件离子氮化后表层有少量铜层渗入，但样件吹砂后表层无铜层，说明铜层厚度非常薄，可以忽略不计。

结论⑥：镀铜零件能在离子氮化炉中进行加工，起到防护作用，并且工件的各性能指标都能满足要求。

第二阶段：零件的加工验证阶段

根据前期样件试验的结果，选择离子氮化常用的工件，利用上述离子氮化工艺，加工了4批工件的结果如下表7：

表7

从表7可以得出：镀铜零件能在离子氮化炉中进行加工，镀铜起到了防护作用，并且工件的各性能指标都能满足要求。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。