Sursulf工藝是一種以硫?yàn)榇呋瘎┑牡臀廴镜柠}浴處理，屬于氮碳共滲，操作溫度為565±5℃。因此，氮和碳在元件的表面形成了一層復(fù)合層，并且在復(fù)合層下面形成了氮化物深擴(kuò)散區(qū)。鹽浴中的硫能在處理元件表層形成硫化合物，這層化合物具有潤(rùn)滑作用，特別適用于在那些傳統(tǒng)潤(rùn)滑無(wú)效或者無(wú)法進(jìn)行傳統(tǒng)潤(rùn)滑的環(huán)境。因?yàn)镾ursulf處理后形成了氮化物和碳氮化物，所以處理后的表面硬度高、潤(rùn)滑系數(shù)低、耐腐蝕性好，有效解決了工程應(yīng)用中鋼的磨損、疲勞、劃傷和腐蝕問題。

        1、概況

        采用一些特定的技術(shù)可以提高材料的表面硬度和耐磨性，且不需要對(duì)材料進(jìn)行涂層。熱擴(kuò)散工藝的目的是在不涂層的情況下提高材料的表面硬度和耐磨性，這些工藝包括滲硼、滲碳、鍍鉻、滲氮、碳氮共滲等，這些工藝需要在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

        2、低污染鹽浴氮碳共滲工藝（Sursulf）

        Sursulf工藝是一種以硫?yàn)榇呋瘎┰诘臀廴镜柠}浴中進(jìn)行氮碳共滲處理的工藝。Sur代表“表面處理”，sulf代表“含硫”。該工藝的操作溫度為565±5℃，操作時(shí)，鋼表面存在氮和碳的振動(dòng)。因此，氮隨著碳振動(dòng)在元件表面形成一層復(fù)合層，并且在復(fù)合層下面形成了氮化物深擴(kuò)散區(qū)。鍍液中的硫能在處理元件表層形成硫化合物，目前已經(jīng)了解了這層化合物的潤(rùn)滑性能，它特別適用于那些傳統(tǒng)潤(rùn)滑無(wú)效或者無(wú)法使用傳統(tǒng)潤(rùn)滑的使用環(huán)境。

        2.1、Fe-N相圖

        滲氮過(guò)程是一種鐵素體熱化學(xué)處理工藝，通常是在500-590℃的溫度范圍內(nèi)將氮原子引入鐵素體相中，所以在冷卻至室溫過(guò)程中不發(fā)生相變。一般都知道氮化機(jī)制，但還不清楚不同滲氮介質(zhì)在不同鋼中發(fā)生的具體反應(yīng)。氮部分溶于鐵，氮含量高達(dá)約6%時(shí)可以和鐵素體形成固溶體。

        擴(kuò)散到鐵素體中的氮與它的濃度與溫度有關(guān)。氮濃度低會(huì)使得α'從鐵素體中沉淀。氮濃度較高會(huì)生成γ'。更高的氮濃度甚至?xí)�生成ε氮化物�?/p>

        2.2、Sursulf處理

        Sursulf處理是在溫度大約565℃時(shí)進(jìn)行的一種鹽浴氮碳共滲工藝。此工藝過(guò)程中，氮和碳同時(shí)擴(kuò)散進(jìn)入元件表面。標(biāo)準(zhǔn)Sursulf浴的化學(xué)成分如下所示：CN-：≤0.8%；K+：24.5±2%；CNO-：24.5±2%；Na+：20.5±2%；CO32-：19±2%；Li+：1.25±0.2%；S2-：2-10ppm。

        2.3、Sursulf浴機(jī)理

        Sursulf浴的基本成分為鋰、鈉、鉀的氰酸鹽和碳酸鹽以及少量的硫化鉀（K2S）。將干的空氣引入Sursulf浴中以提供攪拌作用并刺激化學(xué)活性。氮來(lái)自氰酸鹽，硫來(lái)自硫化鉀（K2S）。在被處理的鋼元件的表面氰酸鹽催化分解釋放出一氧化碳和新的氮。

        一氧化碳分解釋放出碳，碳和新生的氮一起擴(kuò)散進(jìn)入被處理材料形成復(fù)合層。如下：

        4CNO-→CO32-+CO+2N+2CN-（1）

        2CNO-+O2→CO32-+CO+2N（2）

        因此，形成的復(fù)合層改善了元件表面的抗劃傷性能和耐磨性能。鹽浴中產(chǎn)生的碳酸鹽，沒有被當(dāng)作廢棄物處理，而是通過(guò)添加一種再生鹽使其不斷轉(zhuǎn)化為氰酸鹽，這種再生鹽被認(rèn)定為是純綠色無(wú)污染的鹽，屬于酰胺胺基團(tuán)（命名為CR2）。

        鹽浴中產(chǎn)生的氰化物與大氣中的氧反應(yīng)，部分氧化成氰酸，依據(jù)的反應(yīng)式如下：

        2CN-+O2→2CNO-（3）

        鹽浴中的硫化物和被處理元件反應(yīng)，在被處理元件最外表層形成硫化鐵。鹽浴中添加的硫化鉀被部分氧化為亞硫酸鹽、硫酸鹽和硫代硫酸鈉。

        SO32-+3CN-→3CNO-+S2-（4）

        上述反應(yīng)式（4）的結(jié)果為：氰化物被氧化成氰酸鹽，因此將鹽浴中的氰化物降至一個(gè)非常低的水平，含量為0.1%，甚至為0.05%。

        所含的鋰作為一種催化劑，能加速氮碳共滲反應(yīng)。它能穩(wěn)定氰酸鹽，減少操作溫度下氰酸鹽向碳酸鹽的自然轉(zhuǎn)化。也能降低鹽浴的熔點(diǎn)（400-410℃），同時(shí)加入鉀和鈉可以保持鹽浴的流動(dòng)性。

        2.4、對(duì)微觀組織的影響

        所有鐵素體氮碳共滲的共同的有益結(jié)果為形成一層非常薄的ε碳氮化物——在450℃到490℃之間形成的一種鐵、氮和碳的六角三元化合物。對(duì)耐磨性、耐劃傷和硬度等性能都非常有益。由于復(fù)合層下的擴(kuò)散區(qū)使得硬度增加。在擴(kuò)散區(qū)，由于氮從復(fù)合層擴(kuò)散至鋼的內(nèi)部，所以生成與滲氮相似的氮化區(qū)或者沉淀區(qū)。

        該復(fù)合層為在體積百分比53.1%NH3、43.9%H2和3%CO的混合氣氛中對(duì)鐵進(jìn)行氮碳共滲形成的復(fù)合層，順序如下：從表層開始，依次為ε碳氮化物（Fe（N，C）1-X）、高孔隙度的碳化鐵（θ或Fe3C）、較低碳含量的ε碳氮化物以及與基體鐵相鄰的貧碳γ'碳氮化物（Fe4（N，C）1-X）。

        3、試驗(yàn)

        3.1、試樣的來(lái)源及制備

        用棒材鋼制備表面處理試驗(yàn)用試樣。各種試樣的化學(xué)成分如表1所示。粗磨這些試樣以獲得一個(gè)平面，并對(duì)試樣曲面進(jìn)行拋光除銹除氧化物。同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)和腐蝕試驗(yàn)。顯微硬度檢測(cè)時(shí)，用2/0砂紙將試樣磨出一個(gè)光面，在此光面上打壓痕進(jìn)行硬度檢測(cè)。

        表1：各種鋼樣的化學(xué)成分%

        樣品CMnSiPSCrMoNiAl

        EN-80.35-0.450.9750.1650.0120.026----

        EN-190.35-0.450.80.2250.0230.0341.1950.2--

        En-240.35-0.450.70.350.050.051.40.21.3-

        En-310.9-1.20.750.3250.0080.0281.21.60.002-

        EN-41B0.35-0.450.650.290.0340.0281.6421.490.0261.3

        20MnCr50.191.130.320.0350.0351.25---

        3.2、流程

        首先，熔融鹽準(zhǔn)備鹽浴。試樣放入鹽浴爐前不應(yīng)有水分、灰塵、氧化鐵皮等。采用水蒸氣對(duì)試樣進(jìn)行脫脂或者用酒精洗滌劑來(lái)清洗試樣。然后，將試樣放入合適的鐵絲籃中。放入前應(yīng)將試樣預(yù)熱至約450℃。之后，將試樣放入570±5℃的鹽浴處理爐中，處理時(shí)間2h，均熱一定時(shí)間后取出試樣。隨后將試樣放入冷水中冷卻使試樣中的氮固溶。之后用熱水清洗掉試樣上的鹽。之所以需要清洗掉試樣上的鹽是因?yàn)辂}對(duì)試樣有腐蝕性。熱水清洗后得到銀色的最終試樣。然后再在冷水中清洗后將試樣浸入煤油或者油中，以便得到良好的表面光潔度，或者用砂布進(jìn)行磨樣以獲得光亮的表面，但磨樣過(guò)程需要很細(xì)心以防止磨掉復(fù)合層。

        4、試樣的特性

        4.1、硬度、顯微硬度檢測(cè)

        Sursulf處理前后均對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，用以研究該處理過(guò)程對(duì)不同鋼樣的影響。用標(biāo)準(zhǔn)維氏硬度檢測(cè)方法對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)。

        用維氏硬度計(jì)對(duì)未處理和處理的試樣進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，負(fù)載100g，駐留時(shí)間20s。

        4.2、鹽霧腐蝕試驗(yàn)

        鹽霧試驗(yàn)是檢測(cè)涂層試樣耐腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。鹽霧試驗(yàn)是一種加速腐蝕試驗(yàn)，它能對(duì)涂層試樣進(jìn)行腐蝕侵入，從而預(yù)測(cè)該涂層試樣作為一種保護(hù)涂層使用時(shí)的適用性。鹽霧試驗(yàn)腐蝕一段時(shí)間后評(píng)估試樣出現(xiàn)的腐蝕產(chǎn)物（氧化物）。

        試驗(yàn)裝置包括：一個(gè)密閉試驗(yàn)箱，在箱中用噴嘴將鹽溶液（主要為5%的氯化鈉溶液）噴成霧狀。在箱中產(chǎn)生一種濃鹽霧腐蝕環(huán)境，箱中暴露的元件在這種非常惡劣的腐蝕條件下進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。典型試驗(yàn)箱的體積為420L，該體積是鹽霧試驗(yàn)國(guó)標(biāo)ASTM-B-117和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9227所要求的最小體積。

        4.3、微觀組織分析

        觀察處理前后試樣的微觀組織并進(jìn)行微觀組織分析，以研究該工藝對(duì)微觀組織的改變，因?yàn)槲⒂^組織的改變直接影響試樣的性能。試樣用苦味酸酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡和相機(jī)圖像觀察其微觀組織。

        掃描電子顯微鏡（SEM）可以提供與形貌特征、晶體形貌、相分布、成分差異、存在缺陷及缺陷位置有關(guān)的信息。用X射線或者電子探針可以確定微量元素的組成成分。

        5、結(jié)果和討論

        5.1、硬度檢測(cè)

        對(duì)鹽浴處理前的試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，為便于在硬度儀屏幕下觀察試樣，需要將試樣粗磨出一個(gè)扁平的表面，然后用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，負(fù)載20kg。

        此處處理后得到的復(fù)合層厚度為幾個(gè)μm。維氏硬度計(jì)壓痕深度為幾百μm，通過(guò)壓痕進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。因此，當(dāng)測(cè)量鍍層的顯微硬度時(shí)，負(fù)載為100g。

        在測(cè)量鹽浴處理后試樣的硬度時(shí)，要面臨一個(gè)問題，因?yàn)樘幚砗笤嚇拥谋砻媸腔野祷蛘吆诎档�。因此，無(wú)法在硬度計(jì)屏幕上看到這種表面，并且因?yàn)轱@微硬度測(cè)試時(shí)需要一個(gè)反射面，所以無(wú)法進(jìn)行硬度檢測(cè)。因此，為了得到一個(gè)反射表面，需要用金剛石研磨膏對(duì)試樣進(jìn)行拋光，拋光時(shí)可能會(huì)去掉一些復(fù)合層，因此，無(wú)法得到準(zhǔn)確的硬度結(jié)果。表2給出了試樣鹽浴處理前后的硬度值。因?yàn)樵邴}浴處理前，試樣的硬度取決于心部硬度，如果試樣通過(guò)淬火處理硬化的話，其得到的硬度值比此處的硬度值要高出許多。除EN-31外，其他所有鋼種的結(jié)果都比較滿意；這是因?yàn)樾纬闪薋e4N、Fe2，3N、CrN、Mo2N和AlN等不同的氮化物。

        表2：處理前后的硬度值

        樣品處理前處理后

        20kg時(shí)的VHN（平均）HRC100g時(shí)的VHN（平均）HRC

        EN-827725.058654.8

        EN-1927725.055253.0

        En-2425422.258554.8

        En-3127425.035237.7

        EN-41B18018.084565.0

        20MnCr533534.051554.0

        EN-41B的硬度值高很多是因?yàn)殇撝杏蠥l，Al形成了AlN且提高了硬度，并且測(cè)量該硬度時(shí)所用負(fù)載為25g。

        用壓頭對(duì)試樣每隔100μm進(jìn)行一次硬度檢測(cè)，得到硬度分布曲線。從曲線可以看出，從試樣表面到心部，其硬度逐漸降低，并且最后得到了未處理試樣的硬度。還發(fā)現(xiàn)，硬化區(qū)厚度僅為20μm至50μm，過(guò)了硬化區(qū)后材料的硬度急劇下降。

        5.2、腐蝕試驗(yàn)

        通過(guò)鹽霧試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行試樣的耐腐蝕性對(duì)比研究。鹽霧試驗(yàn)是檢測(cè)試樣耐腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。此處，試樣被置于腐蝕環(huán)境中持續(xù)一段時(shí)間（24h），然后通過(guò)失重方法測(cè)量腐蝕速率。腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

        表3：腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

        樣品初始重量，g最后重量，g均值失重，g腐蝕率，m/a

        EN-19

        （處理前）20.109920.106220.10580.00412.85

        20.1057

        20.1056

        EN-19

        （處理后）23.265523.265523.26530.00020.13

        23.2650

        23.2654

        EN-41B

        （處理前）43.791043.786643.78690.00411.68

        43.7874

        43.7869

        EN-41B

        （處理后）40.910740.897540.89800.01275.54

        40.8984

        40.8981

        EN-24

        （處理后）47.213647.208647.20790.00572.28

        47.2077

        47.2073

        從腐蝕試驗(yàn)中可以觀察到處理過(guò)的試樣腐蝕較少，這是因?yàn)樵嚇颖砻娴腇e形成了氮化物，因此，沒有了能形成腐蝕產(chǎn)物的自由Fe。并且因此提高了元件在腐蝕環(huán)境中的壽命。

        對(duì)于試樣EN-19，處理后得到了好的耐腐蝕性，并且與預(yù)期值相吻合。對(duì)于試樣EN-24，獲得的耐腐蝕性小于試樣EN-19。這是因?yàn)樘幚碓嚇拥倪吘壊糠质艿狡茐模�結(jié)果在處理試樣的邊緣可以觀察到很少的處理區(qū)域，且腐蝕很嚴(yán)重。對(duì)于試樣EN-41B，鹽浴處理過(guò)的試樣比未處理的試樣表現(xiàn)出更高的腐蝕率，這是因?yàn)檎麄�(gè)試樣上的復(fù)合層不均勻，在試樣的某位置點(diǎn)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

        5.3、微觀組織分析和表面厚度測(cè)量

        為了研究處理后元件復(fù)合層的形成和微觀組織的改變，對(duì)處理過(guò)的元件進(jìn)行了微觀組織檢查并且測(cè)量了表層深度或者復(fù)合層厚度。表4給出了復(fù)合層厚度的測(cè)試結(jié)果。

        表4：復(fù)合層厚度的結(jié)果μm

        樣品厚度（圖像分析儀）厚度（SEM）

        EN-820.025.87

        EN-1920.027.75

        En-2411.713.80

        En-3111.08.05

        EN-41B---9.07

        20MnCr515.023.47

        20MnCr5鋼樣屬于低合金表面硬化鋼，因此，處理前的微觀組織構(gòu)成為鐵素體、珠光體和碳化物。經(jīng)過(guò)Sursulf處理后試樣表面復(fù)合層的微觀組織為一薄層ε碳氮化物（Fe（N，C）1-X）、碳化鐵（θ或Fe3C）以及與基體鐵相鄰的貧碳γ'碳氮化物（Fe4（N，C）1-X）。

        6、結(jié)論

        本研究可以得出如下結(jié)論：

        1）Sursulf處理可以獲得優(yōu)異的耐磨、硬度、耐腐蝕等性能。

        2）該工藝也是一種環(huán)保工藝，因?yàn)辂}浴時(shí)沒有氰化物，并且使用各種再生鹽能使鹽浴長(zhǎng)時(shí)間使用。

        3）處理效率高。與其他滲碳和滲氮表面硬化處理相比，生產(chǎn)率高。

        4）處理溫度非常低，幾乎不產(chǎn)生工件變形，處理成本不是太昂貴。

        因此，該工藝非常適用于各種普通鋼的表面硬化處理。