CN101265563A - 一种硼-铬-稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺 - Google Patents
一种硼-铬-稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种硼－铬－稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺，共渗剂包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.1－6.2份，氯化稀土5－6份，氟硅酸钠15.5－16份，硅钙合金11－11.5份，硼砂23－23.5份，石墨35－35.5份，尿素1.8－2份，氯化铵1－1.05份。共渗工艺包括工件喷丸处理、装箱和硼－铬－稀土共渗步骤，在硼－铬－稀土共渗步骤中，渗箱用双层水玻璃泥密封后，90－110℃烘干；再升温至600－680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4－4.5小时，然后出炉空气冷却处理。本发明具有工件变形小、工件渗层深、渗层脆性小、工件耐磨性好、硬度高、成本低、节约能源、能得到单一的Fe2B渗层等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种形变化学热处理工艺，具体地说是一种硼-铬-稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺。
背景技术
渗硼是指向钢铁材料中渗入硼元素，以获得铁硼化物的热处理工艺。渗硼后工件表面具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性和热硬性。该工艺已逐渐成为广泛应用的表面扩散渗入处理工艺。适合渗硼的材料几乎涵盖所有钢铁材料。
与其它化学热处理一样，渗硼也存在明显的缺点，如渗硼速度慢和渗硼层脆性大。由于渗硼一般在钢铁材料的共析温度以上进行，渗后冷却势必造成工件发生相变，产生的相变应力使工件发生变形。这样，工件经机加工后留下的渗硼层明显变薄。另外，渗硼层虽然硬度很高，但脆性较大。因为铁硼化合物本身是硬脆的金属化合物，加之不同硼化物之间以及硼化物与基体之间在比容和膨胀系数上的差异，易造成在承受较大冲击载荷或温度急剧变化时，产生不利的残余应力，造成渗层的剥落和开裂，这也是其应用受限的重要原因。渗硼工艺主要应用在易磨损的钢铁零件上，这主要是为了提高工件使用寿命，降低生产成本。但是，渗硼工艺在精密件上的应用较少，这是由于渗硼及其后续热处理使工件尺寸变化较大，从而严重限制了其在精密件上的应用，故还需大量研究和开发渗硼新工艺。
随着生产中新型压力加工方法的不断出现，形变化学热处理得到迅速发展。它以其特别的优势，如改善渗层组织性能，大幅度提高钢铁零件耐磨损、耐疲劳等与表面强化有关的性能，并可节约能源、降低生产成本等。因此，形变化学热处理逐步为人们所重视。经冷塑性变形后再进行低温渗硼，工件变形小，并可得到一定深度的表面硬化层，其应用前景非常广阔。
现有的硼-铬-稀土共渗剂中供硼剂选用的是硼铁或者是B4C，这两种供硼剂一方面价格较高，会提高渗剂的价格；另外，B4C做供硼剂易得到FeB+Fe2B双相，使渗层脆性增加。
中国专利CN200610045187.2公开了一种工件渗前冷变形的硼-铬-稀土共渗工艺，其中包括工件喷丸处理、装箱、硼-铬-稀土共渗、渗后处理以及共渗剂的配制方法，其中在硼-铬-稀土共渗中有“渗箱用双层水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升温至840-860℃，到温入炉加热”。在840-860℃这个温度范围内，工件经共渗冷却后，变形较大，不适宜在精密件上应用。同时由于在这个温度范围内工件共渗后，得到的是FeB和Fe2B复合渗层，相对单一Fe2B渗层来说，其脆性较大。
发明内容
本发明为克服现有渗硼技术的不足，提供一种渗后工件变形小、工件渗层相对较深、渗层脆性小、工件耐磨性好、生产成本低、节约能源、并能得到单一Fe2B渗层的硼-铬-稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的。一种硼-铬-稀土共渗剂，包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.1-6.2份，氯化稀土5-6份，氟硅酸钠15.5-16份，硅钙合金11-11.5份，硼砂23-23.5份，石墨35-35.5份，尿素1.8-2份，氯化铵1-1.05份。
一种共析线以下利用硼-铬-稀土共渗剂的低温共渗工艺，包括工件喷丸处理、装箱和硼-铬-稀土共渗步骤，其中在硼-铬-稀土共渗步骤中，渗箱用双层水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升温至600-680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4--4.5小时，然后出炉空气冷却处理。
形变硼-铬-稀土低温共渗机理分析
与单一渗硼层相比，硼-铬-稀土共渗层保持了单一渗硼层的组织特征，但共渗层较为致密，表面疏松较轻。
实验表明，在相同温度下进行形变的硼-铬-稀土共渗，可对渗层组织产生极大影响，渗层深度明显增加。形变引起的大量位错，为硼原子的扩散提供了有利“通道”。硼原子沿着位错进行扩散时所需要的激活能小于在点阵内扩散时的激活能；并且在位错的附近区域，原子的跃迁频率同样大于点阵内部，硼原子沿着这些“通道”更容易进行扩散。同时进入试样表层的硼原子或刚刚形成的硼化物晶核就会“钉扎”在位错线周围，对形变组织的恢复与再结晶起到阻碍作用，使其延迟或不能进行，从而加速了渗层的形成和生长。随位错密度增加，系统中的自由焓明显增加，硼原子在晶体中的吸附和扩散速度会加快。
由于共渗剂中加入了铬和稀土元素，当表面共渗层连成片时，稀土原子的扩散受到阻碍，大部分随晶界渗入到渗层内部。稀土原子的半径较大，可以填充共渗过程中由于克肯达尔效应而产生的空位，使渗层的空洞数量减少，渗层组织致密；铬原子与铁原子半径相差不大，铬原子在硼化物柱状晶内以置换固溶体的形式存在，在一定程度上改善了硼化物相结构空间键络不均匀的状况，从而改善了硼化物的本质脆性。
形变后金属表面所产生的位错等缺陷储存了大量的畸变能，由于这些畸变能的存在，使塑性变形后的金属材料的自由能升高，在热力学上处于亚稳状态，具有向形变前的稳定状态转化的趋势。如果温度升高，原子有了足够高的活动能力，形变金属中就能由亚稳状态向稳定状态转变，发生回复、再结晶。温度越高，回复再结晶的程度越大，使位错也开始运动起来：异号位错互相吸引而消失，缠结中的位错进行重新组合，温度更高时，位错还可以攀移，使位错密度减少。因此本发明在相变线以下进行低温渗硼，可以保持相对多的位错等缺陷，为硼原子向内部扩散提供有利“通道”。另外，在相变线以下进行低温共渗，即在铁素体状态下进行硼-铬-稀土共渗，整个过程中没有发生铁素体和奥氏体的相互转变，因此不会产生较大的相变应力，使工件不会产生较大的变形。
本发明采用价格比较低廉的硼砂做供硼剂，也可起到渗硼的作用。共渗剂其它部分是石墨为填充剂、氯化稀土为催渗剂、硅钙合金为还原剂等，最后得到粉末状或粒状硼-铬-稀土共渗剂。其中的组分均是目前国内最为廉价的。
本发明具有以下优点：
1.与原来850℃高温共渗相比，低温共渗渗后工件变形小，改变了原来850℃高温共渗所导致的工件变形过大而限制渗硼在精密件上的应用情况，极大推动了渗硼在精密件上的应用。
2.硼-铬-稀土共渗可使渗层晶界电子分布趋于均匀化、减轻有害元素在晶界上偏聚以及容易获得低硼相，渗后工件渗层深，与原来850℃高温共渗得到的FeB和Fe2B复合渗层相比，低温共渗渗后工件可得到单一的Fe2B渗层。由于单一Fe2B相脆性较小，使得与850℃高温共渗相比，低温共渗渗后的渗层脆性小。
3.渗后工件耐磨性好，硬度高，但与850℃高温共渗相比没有变化。
4.低温共渗，相对成本低，节约能源，综合经济效益好。
附图说明
图1是无塑性变形的20钢在680℃×4h共渗层的组织形貌图；
图2是喷丸1h、680℃×4h下的20钢试样共渗层的组织形貌图；
图3是喷丸1.5h、680℃×4h下的20钢试样共渗层的组织形貌图；
图4是无塑性变形、喷丸1h和喷丸1.5h的20钢试样在680℃×4h条件下的共渗层硬度分布图；
图5是无塑性变形的45钢在680℃×4h共渗层的组织形貌图；
图6是喷丸1h、680℃×4h下的45钢试样共渗层的组织形貌图；
图7是喷丸1.5h、680℃×4h下的45钢试样共渗层的组织形貌图；
图8是无塑性变形、喷丸1h和喷丸1.5h的45钢试样在680℃×4h条件下的共渗层硬度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：一种硼-铬-稀土共渗剂，包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.1份，氯化稀土5份，氟硅酸钠15.5份，硅钙合金11份，硼砂23份，石墨35份，尿素1.8份，氯化铵1份。
对20号钢试样喷丸1小时，然后在680℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察和检测。其工艺过程如下：
1.对工件进行喷丸处理
采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为60分钟，钢丸采用直径为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为70m/s。
2.共渗剂配制
共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，其配制过程如下：
a.将高碳铬铁、氯化稀土、硅钙合金粉碎成100目；
b.将硼砂在500℃脱水后碾成100目的粉末；
c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在150℃烘干3小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在100℃。
3.装箱
在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内。
4.硼-铬-稀土共渗
喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，100℃烘干；再升温至680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4小时，然后出炉空气冷却。
实施例2：一种硼-铬-稀土共渗剂，包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.2份，氯化稀土6份，氟硅酸钠16份，硅钙合金11.5份，硼砂23.5份，石墨35.5份，尿素2份，氯化铵1.05份。
对20号钢试样喷丸1.5小时，然后在680℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，其工艺过程如下：
1.对工件进行喷丸处理
采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为90分钟，钢丸采用直径为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为50m/s；
2.共渗剂配制
共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，其配制过程如下：
a.将高碳铬铁，氯化稀土，硅钙合金粉碎成90目；
b.将硼砂在400℃脱水后碾成90目的粉末；
c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在140℃烘干2小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在90℃；
3.装箱
在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内；
4.硼-铬-稀土共渗
喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90℃烘干；再升温至680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4小时，然后出炉空气冷却。
如图1、图2、图3所示。20钢通过室温喷丸处理，在680℃×4h下得到的渗层组织较没有塑性变形的渗层组织致密；未变形的试样渗层深度为20μm，而喷丸1.5h和1h后的试样渗层深度分别可达35μm和30μm，形变明显加速了渗硼速度。从图2、图3还可以看出：共渗层均匀，表面疏松较轻。20钢经喷丸处理，表面因形变引入了大量位错结构，对渗层形成和生长起促进作用：随变形量增加，位错胞被拉长，胞壁中位错密度增大；与未变形试样相比，形变试样表面因含有大量位错而使表面活化，从而加速了渗硼初期表面对硼原子的吸附过程，进入试样表层的硼原子或刚刚析出的硼化物小颗粒对形变组织的恢复或再结晶将起到阻碍作用，使其延迟或不能进行。另外由于温度较低，也使组织的回复再结晶减少，能保留较多的位错缺陷，从而加速了渗层的形成和生长。图4表明：喷丸后共渗，渗层硬度较无塑性变形情况下稍有提高，因而保持了较高的硬度，且硬度梯度较缓。
实施例3：一种硼-铬-稀土共渗剂，包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.15份，氯化稀土5.5份，氟硅酸钠15.7份，硅钙合金11.3份，硼砂23.2份，石墨35.3份，尿素1.9份，氯化铵1.02份。
对45号钢试样喷丸1小时，在680℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察和检测。其工艺过程如下：
1.对工件进行喷丸处理
采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为60分钟，钢丸采用直径为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为70m/s；
2.共渗剂配制
共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，其配制过程如下：
a.将高碳铬铁，氯化稀土，硅钙合金粉碎成100目；
b.将硼砂在500℃脱水后碾成100目的粉末；
c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在150℃烘干3小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在100℃；
3.装箱
在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内；
4.硼-铬-稀土共渗
喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，100℃烘干；再升温至680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4小时，然后出炉空气冷却。
实施例4：一种硼-铬-稀土共渗剂，包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.2份，氯化稀土5份，氟硅酸钠15.3份，硅钙合金11.2份，硼砂23.5份，石墨35份，尿素1.8份，氯化铵1.02份。
对45号钢试样喷丸1.5小时，在680℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察和检测。其工艺过程如下：
1.对工件进行喷丸处理
采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为90分钟，钢丸采用直径为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为50m/s。
2.共渗剂配制
共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂。其配制过程如下：
a.将高碳铬铁，氯化稀土，硅钙合金粉碎成90目；
b.将硼砂在400-500℃脱水后碾成90目的粉末；
c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在140度烘干2小时。若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在90℃；
3.装箱
在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内；
4.硼-铬-稀土共渗
喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90℃烘干；再升温至680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4小时，然后出炉空气冷却。
如图5、图6、图7所示。通过室温喷丸处理后，在680℃×4h下得到的渗层组织较没有塑性变形的渗层组织更加致密，硼齿中间的夹杂较少。未变形的试样渗层深度为18μm，而喷丸1.5h和1h后的试样渗层深度分别可达28μm和24μm，形变使渗硼速度加快。从图6、图7还可以看出：共渗层均匀，表面疏松较轻。45钢经喷丸处理，表面因形变引入了大量位错结构，对渗层形成和生长起促进作用：随变形量增加，位错胞被拉长，胞壁中位错密度增大；与未变形试样相比，形变试样表面因含有大量位错而使表面活化，从而加速了渗硼初期表面对硼原子的吸附过程，进入试样表层的硼原子或刚刚析出的硼化物小颗粒对形变组织的恢复或再结晶将起到阻碍作用，使其延迟或不能进行。另外由于温度较低，也使组织的回复再结晶减少，能保留较多的位错缺陷，从而加速了渗层的形成和生长。图8表明：喷丸后共渗，渗层硬度与无塑性变形试样的深层硬度大致相同，因而保持了较高硬度，且硬度梯度较缓。
Claims (2)
1.一种硼-铬-稀土共渗剂，其特征在于：包括以下重量比的成分，高碳铬铁6.1-6.2份，氯化稀土5-6份，氟硅酸钠15.5-16份，硅钙合金11-11.5份，硼砂23-23.5份，石墨35-35.5份，尿素1.8-2份，氯化铵1-1.05份。
2.一种共析线以下利用权利要求1所述的硼-铬-稀土共渗剂的低温共渗工艺，包括工件喷丸处理、装箱和硼-铬-稀土共渗步骤，其特征在于：在硼-铬-稀土共渗步骤中，渗箱用双层水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升温至600-680℃，到温入加热炉，到温后计时保温4-4.5小时，然后出炉空气冷却处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: SHANDONG SANJIAN CONSTRUCTION ENGINEERING CO., LTD. Assignor: Shandong Construction University Contract record no.: 2010370000358 Denomination of invention: Boron-chromium-rare-earth co-seeping agent and its low-temperature co-seeping process below eutectoid line Granted publication date: 20100120 License type: Exclusive License Open date: 20080917 Record date: 20100707 |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100120 Termination date: 20130506 |