一种渗氮催化剂制造技术

本发明专利技术提供一种渗氮催化剂，该催化剂为具有通式RTxMy的合金，其中：R为La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm等稀土金属中的一种或其组合；T为Fe、Co、Ni、Mn、Ti、V、Cr、Si、Al、Mg、Sn、Zn等金属中的一种或其组合；M为H、B、C、N、P等间隙元素中的一种或其组合；x的范围为1～20，y的范围为1～10。本发明专利技术的渗氮催化剂，可以显著降低在氮气或氨气等含氮气氛下进行气体渗氮的温度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种渗氮催化剂，该催化剂为具有通式RTxMy的合金，其中：R为La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm等稀土金属中的一种或其组合；T为Fe、Co、Ni、Mn、Ti、V、Cr、Si、Al、Mg、Sn、Zn等金属中的一种或其组合；M为H、B、C、N、P等间隙元素中的一种或其组合；x的范围为1～20，y的范围为1～10。本专利技术的渗氮催化剂，可以显著降低在氮气或氨气等含氮气氛下进行气体渗氮的温度。【专利说明】一种渗氮催化剂
本专利技术属于化学热处理领域，涉及一种渗氮用催化剂及其制备和使用方法，具体而言是该催化剂可用于钢、钛等金属材料在氮气或氨气等含氮气氛中进行的表面渗氮，降低渗氮的温度。
技术介绍
渗氮是将活性氮原子扩散渗入钢、钛等金属表面层的化学热处理技术，可以改善金属表面硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。作为一种重要的表面强化技术，渗氮广泛应用于机械、石油、采矿、国防等领域。常规渗氮方法包括气体渗氮、离子渗氮、盐浴渗氮、催化渗氮、软氮化等等，其中气体渗氮以其设备简单、操作简便、有效可靠等优点，在工业生产中得到普遍应用。气体渗氮通常在480~560°C处理20~80小时，为了加快渗氮速度，各种催化渗氮技术得到广泛应用，如高压渗氮、感应加热渗氮、形变渗氮、离子渗氮、流态床渗氮、超声波渗氮、洁净氮化、电解催渗、催渗软氮化等等。催化渗氮中所用催化剂已知的有稀土、钛、镍等价格较昂贵的金属，稀土一般以单质的形式与工件一起放入炉内，或以氯化物的形式加入到供氮剂(也称供氮介质，渗氮介质，氮源、渗剂等)中，主要起到缩短渗氮时间的作用。一般地，气体渗氮温度过低时，渗速很慢，同时工件表面不能吸收足够的，硬度提高不大，所以气体渗氮温度一般不低于480°C。2003年，Tong W.P.等发现纯铁等材料经过表面纳米化处理后可在300~400°C进行快速气体渗氮，获得与高温渗氮相同的表面硬度。低温渗氮可以避免在相对高的温度下长时间保温所引起的工件变形、渗氮层变脆以及性能降低(如奥氏体不锈钢耐蚀性下降)等缺陷。但是，这种表面纳米化需要经过比较复杂的处理，不但增加成本，还会导致被渗材料表面粗糙度增大，应用领域受到一定限制。使用催化剂可以不破坏材料原始表面形态，但通过加入催化剂来降低气体渗氮温度的研究还比较欠缺，因此开发低温渗氮催化剂非常必要。现有气体渗氮技术常用的供氮剂为氨气或者含有氨的混合气，而氨气具有腐蚀性和毒性，对渗氮设备、劳动保护、废气排放等均有严格的要求，不但增加额外的成本，还会造成环境污染。另外，渗氮速度取决于被渗工件表面活性氮原子的供应速度，气体渗氮时来自于氨在被渗工件表面的催化分解,所以氨气及分解产物氢气的流动性对的供应速度有很大影响，对于诸如狭缝、深孔、盲孔之类的特殊部位，气体流动受阻形成“粘滞流”，氢气聚集在工件表面，阻碍了活性氮原子的供应，难以达到理想的渗氮效果。而对于粉末冶金零件之类含有孔隙的材料，往往引起材料内部发生不期望的渗氮，导致性能劣化。可见，用氨气作为供氮剂进行渗氮，还存在各种各样的问题。氮气是一种资源丰富、无毒无味的中性气体，氮分子N2是最稳定的双原子分子，其原子间N = N健的离解能非常高。大量理论和实验研究证明，在气体渗氮条件下(低于600°C，约Iatm)，氮分子很难在铁触媒表面离解为氮原子，所以不能用氮气作为钢铁气体渗氮的供氮剂，而是要使用容易离解的氨气。尽管如此，氮气无可比拟的优点仍然吸引人们进行各种尝试。徐冰仲于1983年发现可以采用纯氮在约500°C进行离子渗氮，Berns H于1993年提出不锈钢在1050~1150°C纯氮气氛下可以进行固溶渗氮，而高温高压条件下用氮气进行气体渗氮的方法已经被应用于高氮钢的生产，但是，纯氮气氛下的低温气体渗氮一直没有出现突破。研究稀土(R)-过渡族金属(T)化合物一类的磁性材料时发现，这类化合物能在较低温度下从氮气中吸氮，所得到的氮化物具有奇异的磁性能。1979年，K.Soga等人报道了LaCo5可以在300°C下从低压氮气或氨气里吸氮。1990年，J.M.D.Coey和杨应昌分别专利技术了以Sm2Fe17Nx和Nd2Fe14BNy、Nd(TiFe) 12NZ为代表的R-T-N新型磁性材料，其制备方法是将R-T化合物在常压纯氮或纯氨气氛下进行吸氮处理,吸氮温度为300~600°C。后来HongS、Liu We1、陈远富等人分别发现其它R-T化合物也可以在较低温度下从常压氮气或氨气中吸氮，如R2Fe17、SmFe7, La (Fe，Si) 13等化合物可以在250~500°C下吸氮。R-T化合物氮化物的制备方法，一般是将R和T纯金属熔炼成合金锭，再经过数百小时的均匀化退火以获得严格符合化学计量比的单相R-T化合物，然后破碎成粉末，在氮气或氨气中吸氮，另外也可以在氮气气氛下用机械合金化的方法制得。由于稀土元素的性能相近，其与过渡族金属间所形成的R-T化合物的结构和性能也非常相似，所以在低温低压氮气或氨气中能够吸氮也似是R-T化合物中普遍存在的一个性质。对于钢或钛等其它材料，尚未发现在这样的低温低压条件下(约0.1MPa，氮气低于600°C，氨气低于400°C)可以吸氮或进行气体渗氮。R-T化合物一直以来都是作为磁性材料被研究的，对其氮化物的关注多集中在引入氮原子以提高磁性能上，其在低温低压氮气中吸氮的机理尚不清楚，一般认为是其自身表面对N = N健的离解起到了催化作用，这种催化作用是否可用于其它材料的渗氮还属未知。另外，非单相R-T化合物或非化学计量比的R-T合金是否具有低温吸氮特性和催化作用也尚未可知。为了减少能源消耗，并且发挥气体渗氮的优势，很有必要开发可降低渗氮温度的催化剂。特别地，开发可用于氮气下进行低温气体渗氮的催化剂，以避免使用氨气造成的环境污染、设备腐蚀以及对人员健康的危害。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可用于钢、钛等工件的表面渗氮或制备含氮合金时使用的催化剂，特别是该催化剂用于氮气或氨气等含氮气氛下的渗氮处理时可以大幅降低处理的温度。本专利技术的另一个目的在于提供上述催化剂的制备方法。本专利技术的再一个目的在于提供上述催化剂的使用方法。为实现上述目的，本专利技术的一种催化剂为稀土与其它金属形成的合金及其氢化物或氮化物，其化学通式可表示为RTxMy，其中:R为稀土金属，稀土的性能相近，可以互相替换和组合，优选为价格相对低廉的稀土 La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm等当中的一种或其组合；T 为能与 R 形成化合物的金属，优选为 Fe、Co、N1、Mn、T1、V、Cr、S1、Al、Mg、Sn、Zn等当中的一种或其组合；M为能固溶于R-T化合物的间隙元素，优选为H、B、C、N、P等当中的一种或其组合；X的范围为I~20，y的范围为I~10。进一步，所述催化剂为粉末状或薄片状，至少某一维的尺寸小于0.1mm。一种可用于钢、钛等工件的表面低温渗氮或制备含氮合金时使用的催化剂，其制备方法具体是:(I)按RTxMy化学式配料，将原料金属或中间合金放入真空炉内，抽真空后冲入氩气，利用电弧或感应加热熔炼得到合金锭；(2)以乙醇、煤油、液体石蜡等有机溶剂作为防氧化介质，将合金锭球磨I~10小时后得到合金粉末；也可以采用雾化的方法制备粉末，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种渗氮催化剂，用于钢、钛等材料在氮气或氨气等含氮气氛中的渗氮或吸氮处理，其特征是该催化剂化学通式为RTxMy，其中：R为稀土金属，优选为价格相对较低的稀土La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm等当中的一种或其组合；T为能与R形成金属间化合物的金属，优选为Fe、Co、Ni、Mn、Ti、V、Cr、Si、Al、Mg、Zn等当中的一种或其组合；M为能固溶于R?T化合物的间隙元素，优选为H、B、C、N等当中的一种或其组合；x的范围为1～20，y的范围为1～10。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢鲲，孙金全，夏鹏成，曹梅青，岳丽杰，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：