CN100497720C - 以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件。该金属工件是将含碳量大于0.4%、淬火温度高于850℃的金属工件基体置于含钒、铌及铝粉的硼砂熔盐中，通过硼砂熔盐中的金属原子和工件基体中的碳原子产生化学反应，扩散在工件基体表面形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件。表面硬度高，可达3000HV以上，使用寿命长。本发明的另一个目的是为了提供环保、节能，生产周期短的以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法。
Description
技术领域：
本发明与金属工件的生产方法有关，特别与可作模具、标准件、机械零部件等的以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法有关。
背景技术：
材料是人们赖以生存的自然资源。由于人民生活水平的提高和消费需求的增长，人们赖以生存的自然资源越来越稀缺。
据不完全统计，金属工件(模具、标准件、机械部件等)的失效相当一部分是由于磨损引起。由于传统的热处理和表面处理的局限，很多材料还没有发挥其应有的潜力而过早失效从而极大的浪费了不可再生的自然资源又增加了社会总成本。
公知的硬质合金韧性差，加工难度大，成本高，周期长。已有的在金属工件基体表面渗入钒或铌的金属工件，单渗钒的金属工件硬度差，单渗铌的金属工件生产周期长。
发明内容：
本发明的目的是为了提供一种表面硬度高，可达3000HV以上，使用寿命长，环保，节能，生产周期短的以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法。
本发明的目的是这样来实现的：
本发明以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件，该金属工件是将含碳量大于0.4％、淬火温度高于850℃的金属工件基体置于含钒、铌及铝粉的硼砂熔盐中，通过硼砂熔盐中的金属原子和工件基体中的碳原子产生化学反应，扩散在工件基体表面形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件，金属碳化层和厚度可为5～15μm。
本发明的方法包括如下步骤：
1)，按质量百分比配料：
四硼酸二钠 80～90％，
五氧化二钒 3～6％，
五氧化二铌 3～6％，
铝粉 3～6％；
2)，化盐：900～950℃硼砂脱水后，分别加入五氧化二钒、五氧化二铌及铝粉，保温2～3小时；
3)，在甲醇或汽油中进行金属工件基体的清洗；
4)，在500～570℃条件下对金属工件基体预热，可采用井式或箱式炉；
5)，将金属工件基体装入渗金属炉中，入炉温度800～900℃；
6)，渗金属：在850～1050℃下保温4～16小时，按材料不同选择温度和保温时间；
7)，随炉升温或降温至淬火保温，根据金属工件基体大小确定保温时间；
8)，淬火可采用40～70℃普通淬火油；
9)，清洗：可采用100℃工业用水进行清洗；
10)，回火：方法同常规热处理同；
11)，清洗：可采用工业用水+3％NaNO2进行清洗；
12)，抛光；
13)，检验：合格即为以硼砂熔盐为载体表面渗入钒铌而形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件，五氧化二钒、五氧化二铌为渗金属剂，铝粉为还原剂，四硼酸二钠(工业硼砂)为载体和供硼剂，硼砂可清浩工件表面的作用，硼砂可稀释氧化物，使工件基体不易氧化，其熔点为740℃，工作温度在850℃～1050℃温区，易于使钒、铌在硼砂溶液中悬浮，利于工件基体表面吸收熔盐中的钒、铌金属原子。硼砂的分解温度为1530℃，本生产方法的工作温度远低于其分解温度硼砂不产生任何公害、易于环保。
上述的五氧化二钒的粒度为0.043～0.124mm，五氧化二铌的粒度为0.043～0.124mm，铝粉粒度为0.124～0.246mm。
上述的淬火工序时采用40～70℃淬火油进行油淬。
上述的淬火工序时采用中性盐溶液进行第一级淬火后再用硝盐进行第二级淬火，第一级淬火时淬火介质可采用BaCl2、NaCl、KCl等，可降低工件变形量和开裂趋势，第二级淬火时淬火介质可采用NaNO3、KNO3等，可增加回火稳定性，第一级淬火及第二级淬火根据材料的种类和工件基体的大小确定温度和保温时间，方法同常规热处理同。
本发明中铌较易溶于NaOH溶液且能抑制偏钒酸钡的生成，从而彻底解决了硼砂熔盐渗金属的清洗难题，降低了清洗难度，清洗时间较过去的试验可缩短一半；通过试验和生产证明，钒铌共渗可比单渗铌更能促进和加快渗层的生成，比单渗钒能获得较高的硬度。从而缩短了生产周期、节约能源又提高了耐磨性；铌作为渗剂添加在含钒的硼砂熔盐中能保证在相对较高淬火温度时控制晶粒尺寸，从而起到奥氏体晶粒细化，增加致密度的作用；铌、钒同一些原子半径小元素如硼、碳、氮等生成的化合物都具有很高的熔点，能增加被渗金属材料表面的硬度；
本发明以硼砂熔盐为载体，其中熔入钒、铌，在置于硼砂熔盐的表面渗入钒、铌两种金属形成含钒铌的钒铌金属碳化层，具有如下优点：
(一)、表面硬度大大提高，全面解决磨损、耗毛等现象。同等工况下，使用寿命平均提高十倍以上；很多领域可取代硬质合金。
(二)、与基体冶金结合，表现出最优异的抗剥离性；
(三)、可反复处理；
(四)、不论工件形状如何，都能形成均匀的被覆层，处理过程中工件变形较小；
(五)、被覆后的表面粗糙度与处理前大致相同，金属工件表面加工光滑，处理后可直接使用。
(六)、应用范围广，应用于模具、机械、电子、汽车零部件、五金、标准件、钢管等行业既要求耐磨又要求有韧性的模具等；可作钢铁、机械、航空天、金属加工等行业对一些既要求高耐磨又要求高韧性的特殊零部件。可作钢铁、机械、航空天、金属加工等行业对一些既要求高耐磨又要求高韧性的特殊零部件。作模具的本发明金属工件使用寿命长远远超过进口模具材料用普通热处理方式加工的模具(工件)的使用寿命，通过国内汽车零部件、钢管、弹簧制造行业的模具、标准件、机械部件用户近三年应用证明以磨损失效的工件本发明复合渗金属处理后在同等工况下平均其使用寿命比传统热处理方式提高10倍以上，其使用寿命大大超过硬质合金。
本发明金属工件表面硬度高，可达3000HV以上，使用寿命长。本发明方法生产金属工件周期短、环保、节能。
附图说明：
图1为本发明金属工件结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：
参见图1，本实施例1金属工件由含碳量2.0～2.3％，淬火温度950～980℃的Cr12基体1及在基体表面渗入钒、铌金属形成的含钒铌的金属碳化层2组成。
本实施例1金属工件的生产方法包括如下步骤：
1)，按质量百分比配料：
四硼酸二钠 82％，
五氧化二钒 8％，
五氧化二铌 5％，
铝粉 5％。
2)，化盐：900～950℃硼砂脱水后，分别加入五氧化二钒、五氧化二铌及铝粉，保温2～3小时；
3)，在甲醇(或汽油或清洗剂)中进行工件基体的清洗；
4)，可在500～570℃条件下对工件基体预热2小时，采用井式或箱式炉；
5)，将工件基体装入渗金属炉中，入炉温度850～900℃；
6)，渗金属：在950±10℃下保温5～6小时；
7)，随炉升温度960±10℃温至淬火保温，保温时间1小时；
8)，采用淬火40～70℃普通淬火油；
9)，采用100℃工业用水进行清洗；
10)，180～210℃回火2次，每次回火4小时，方法同常规热处理同；
11)，采用工业用水+3％NaNO2溶液进行清洗：
12)，抛光：
13)，检验：合格即为以硼砂熔盐为载体表面渗入钒铌而形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件。
上述的五氧化二钒的粒度为0.043～0.124mm，五氧化二铌的粒度为0.043～0.124mm，铝粉粒度为0.124～0.246mm。
实施例2：
本实施例2金属工件的结构基本与实施例1同，不同处是金属工件基体为含碳量1.45～1.7％，淬火温度1000～1040℃的Cr12MoV。
本实施例2金属工件的生产方法如下：
本发明的方法包括如下步骤：
1)，按质量百分比配料：
四硼酸二钠 80％，
五氧化二钒 10％，
五氧化二铌 5％，
铝粉 5％。
2)，化盐：900～950℃硼砂脱水后，分别加入五氧化二钒、五氧化二铌及铝粉，保温2～3小时；
3)，在甲醇或汽油中进行工件基体的清洗；
4)，在500～570℃条件下对工件基体预热，可采用井式或箱式炉；
5)，将工件基体装入渗金属炉中，入炉温度850～900℃；
6)，渗金属：在950℃下保温5～6小时；
7)，随炉升降温至淬火温度1010±10℃，保温1小时；
8)，淬火可采用40～70℃普通淬火油；
9)，清洗：可采用100℃工业用水进行清洗；
10)，180～210℃温度下回火2次，每次回火时间4小时，方法同常规热处理同；
11)，用工业用水+3％NaNO2进行清洗；
12)，抛光：
13)，检验：合格即为以硼砂熔盐为载体表面渗入钒铌而形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件。
上述的五氧化二钒的粒度为0.043～0.124mm，五氧化二铌的粒度为0.043～0.124mm，铝粉粒度为0.124～0.246mm。
实施例3：
本实施例3金属工件的结构基本与实施例1同，不同处是金属工件基体为含碳量0.95～1.05％，淬火温度920～980℃的Cr5MolV。
本实施例3金属工件的生产方法包括如下步骤：
1)，按质量百分比配料：
四硼酸二钠 85％，
五氧化二钒 5％，
五氧化二铌 5％，
铝粉 5％。
2)，化盐：900～950℃硼砂脱水后，分别加入五氧化二钒、五氧化二铌及铝粉，保温2～3小时；
3)，在甲醇(或汽油或清洗剂)中进行工件基体的清洗去油污；
4)，采用井式或箱式炉在500～570℃条件下对工件基体预热2小时，
5)，将工件基体装入渗金属炉中，入炉温度850～900℃
6)，渗金属：在950℃下保温5～6小时；
7)，随炉升温至淬火温度960±10℃，保温时间1小时；
8)，采用40～70℃普通淬火油淬火；
9)，采用100℃工业用水进行清洗；
10)，180～210℃回火2次，每次回火时间4小时，方法同常规热处理同；
11)，清洗：
12)，抛光：
13)，检验：合格即为以硼砂熔盐为载体表面渗入钒铌而形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件。
上述的五氧化二钒的粒度为0.043～0.124mm，五氧化二铌的粒度为0.043～0.124mm，，铝粉粒度为0.124～0.246mm。
经过一汽、宝钢、GE、FORO、VOLKSWAGEN、TOYOTA、HONDA、SUZUKI等供应链的客户和国内众多国防工业的试用，以磨损为主要失效形式的本发明金属工件：如模具、标准件、机械部件其使用寿命在同等工况下较传统热处理方式平均提高10倍以上，可广泛应用于模具、机械、电子、汽车零部件、五金、标准件、钢管等行业。
上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
Claims (4)
1、以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法，有含碳量大于0.4％、淬火温度高于850℃的金属工件基体，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)，按质量百分比配料：
四硼酸二钠 80～90％，
五氧化二钒 3～6％，
五氧化二铌 3～6％，
铝粉 3～6％；
2)，化盐：900～950℃硼砂脱水后，分别加入五氧化二钒、五氧化二铌及铝粉，保温2～3小时；
3)，在甲醇或汽油中进行金属工件基体的清洗；
4)，在500～570℃条件下对金属工件基体预热；
5)，将金属工件基体装入渗金属炉中，入炉温度800～900℃；
6)，渗金属：在850～1050℃下保温4～16小时；
7)，随炉升温或降温至淬火温度，保温；
8)，淬火；
9)，清洗；
10)，回火；
11)，清洗；
12)，抛光；
13)，检验：合格即为以硼砂熔盐为载体表面渗入钒铌而形成含有钒铌的金属碳化层的金属工件。
2、如权利要求1所述的以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法，其特征在于五氧化二钒的粒度为0.043～0.124mm，五氧化二铌的粒度为0.043～0.124mm，铝粉粒度为0.124～0.246mm。
3、如权利要求1或2所述的以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法，其特征在于淬火工序时采用40～70℃淬火油进行油淬。
4、如权利要求1或2所述的以硼砂熔盐为载体表面复合渗入钒铌的金属工件的生产方法，其特征在于淬火工序时采用中性盐溶液进行第一级淬火后再用硝盐进行第二级淬火。
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