CN102154616A

CN102154616A - 管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼方法与装置

Info

Publication number: CN102154616A
Application number: CN 201110069647
Authority: CN
Inventors: 谢飞; 潘建伟
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明为一种用于金属管形零件内表面强化的直流电场增强粉末法渗硼方法与装置，其采取在欲处理管形零件内部填充粉末渗硼剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，管形零件两端密封、绝缘，以柱状电极作为正极、管形零件作为负极，两极相互平行，管形零件(含柱状电极)与防氧化填充剂一起密封在渗箱中，置于箱式炉中加热，同时在管件与正极间施加直流电场，即可实现管形零件内表面的快速渗硼。该法与现行方法相比，在550～950℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.5～2倍。因此，该方法与装置可提高金属管形零件内表面的粉末法渗硼速度、降低渗硼温度、提高渗硼剂的利用率。

Description

管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼方法与装置

技术领域

本发明属于金属零件表面化学热处理的方法与装置，特指一种用于管形金属零件内表面的强化、提高内表面耐磨性与耐蚀性的直流电场增强粉末法渗硼的方法与装置。

背景技术

一些管形金属零件(例如生物料成型机挤压桶、石油开采中的抽油泵泵桶)内表面以磨损、腐蚀等方式时效，通过渗硼提高其内表面的耐磨损、抗腐蚀性能是提高这些管形零件性能、延长使用寿命的十分有效的重要手段。

将硼元素渗入零件表层的化学热处理工艺称为渗硼。渗硼层具有很高的硬度、高耐磨性及一定的抗高温氧化能力和抗蚀能力。渗硼可分为固体渗硼、盐浴渗硼、电解渗硼和气相渗硼等方法。对于管形金属零件(尤其是长/径比大的管形零件)的内壁强化，常采用固体粉末法渗硼，这在工艺操作上较方便。

目前的粉末法渗硼根据零件性能要求及零件材质的不同，一般是在850～950℃之间进行的高温渗硼，常用保温时间3～8小时不等，获得30～200μm不等厚度的渗硼层。根据李泉华编著，2003年北京：机械工业出版社的《热处理实用技术》，pp94～96，和华磊，高尚宇，申兆亮，隋勇，“固体渗硼技术及其发展趋势”，《山东农机》，2001年，No.4，pp6～8，这种工艺存在处理温度较高、处理时间较长、渗剂利用率不太高、成本较高、渗硼后工件变形较大等不足之处。为了解决渗硼温度高、渗后工件变形大等问题，低温渗硼为人们所关注。低温渗硼是指在钢临界点(A₁)以下温度的渗硼，特别是在钢回火温度下进行渗硼，不仅能改善渗层性能、降低能耗和减小工件变形，进一步扩大渗硼工艺的应用，而且还能简化零件生产工艺，有明显的经济效益，如中国发明专利，85105278“增压吸附式低温渗硼法”。但目前的低温渗硼在600～750℃之间进行，渗速慢，渗层浅，同时渗剂中供硼剂、活化剂含量非常高，例如李泉华编著，2003年北京：机械工业出版社的《热处理实用技术》，p94，及黎向锋，林祥丰，左敦稳，王珉，“45钢低温膏剂渗硼及耐蚀性研究”，《航空工艺技术》，1999年，No.3，p.29，p.30，p.45，指出低温渗硼的硼铁含量20～65％，碳化硼含量高达40％、氟硼酸钾高达20％，所以处理成本很高。这是因为在较低温度时，渗剂依靠热分解产生活性硼原子的效率较低，只有靠增加供硼剂、活化剂的含量来产生足够的活性硼原子。

由于目前的固体粉末渗硼中活性硼原子的产生是由高温作用下渗剂热分解、相互间发生化学反应而来，其浓度与渗硼温度、渗剂中供硼剂和活化剂含量等有着直接关系，硼向零件表面的扩散也主要依赖于温度作用的热扩散，因此存在处理温度较高、处理时间较长、渗剂利用率不高、成本较高等不足之处。

发明内容

针对上述不足，本发明通过强化渗硼剂反应，促进供硼剂的分解，加速活性硼原子的有效扩散和吸收，可显著降低渗硼温度，加快渗速，从而减少渗剂中供硼剂、活化剂的含量，提高供硼剂的利用率，缩短管形零件内壁渗硼时间。该法与管形零件内壁现行粉末法渗硼相比，在550～950℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.4～2倍不等。

本发明克服了常规固体渗硼单纯依赖渗剂受热分解产生活性硼原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性硼原子的浓度与活性；柱状电极与管形零件内壁相对平行而置，在热扩散的同时，直流电场又加快硼向管形零件(负极)内壁的定向扩散速度，从而降低渗硼温度，加快渗速，提高供硼剂的利用率。

本发明所述工作方法，其特征为：在欲处理管形零件内部填充由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，以柱状电极作为正极，以管形零件作为负极，两极相互平行，极间距离2～50mm(具体根据管件内径确定)，两极由导线分别对应联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的直流电源的正、负极上；管形零件(含柱状电极与渗硼剂)两端密封、绝缘；密封后的管形零件(含柱状电极与渗硼剂)与防氧化填充剂一起再密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为550～950℃，当炉温到设定值后，在两极间加上0～250伏之间的直流电压。

本发明所述装置，其特征在于由置于管形零件内部填充的固体粉末渗硼剂中的柱形电极、管形零件两端的密封与绝缘组件、放置管形零件(含柱状电极)与防氧化填充剂的渗箱、电压在0～250伏特范围连续可调的直流电源系统构成，直流电源正负两极分别连接柱状电极与欲渗硼管形零件。

本发明中所用柱形电极可为实心电极，也可为材料壁厚范围为0.2～10mm的中空柱形电极，采用熔点在1200℃以上的金属材料制作。

柱形电极与欲渗硼管件内壁之间的距离5～50mm。

柱形电极平行于欲渗硼管件内壁。

本发明的主要优点在于克服了常规固体渗硼单纯依赖渗剂受热分解产生活性硼原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性硼原子的浓度与活性，在热扩散的同时，直流电场还形成硼向管形零件(负极)内壁的定向扩散，从而可以降低渗硼温度，加快渗速，提高供硼剂的利用率。所以具有如下有益效果：

1)在采用与现行常规固体粉末渗硼相同的渗剂、温度和保温时间时，采用本方法的渗硼层厚度可增加一倍以上，供硼剂的利用率相应提高一倍以上；欲达到现行常规固体粉末渗硼层厚度，采用本方法可以减少供硼剂、活化剂的含量(至少可减少50％)，或缩短保温时间，或降低处理温度，从而节约能源，降低生产成本，提高管形零件的使用性能和寿命；

2)相对于现有技术，本发明装置简洁、操作方便。

附图说明

附图1为管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼装置示意图。

1)耐火泥密封，2)渗箱，3)绝缘套管，4)柱形电极，5)密封盖，6)管形零件，7)电压连续可调直流电源系统，8)粉末渗硼剂，9)导电引线，10)耐火泥密封，11)防氧化填料，12)渗箱盖。

具体实施方式

本发明装置的示意图如附图1所示。下面为本发明的具体实施例：

实施例1

被渗材料：08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm；渗硼剂构成：供硼剂(碳化硼，含量2％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钠，2％)、疏松剂(木炭，2％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)；

将上述物质组成的固体粉末渗硼剂8装填在内壁欲渗硼钢管试样6中，渗剂中放置柱形电极4，柱形电极4和被渗钢管6内壁间距离8mm，钢管6两端及柱形电极4两端安装密封盖5、绝缘套3，再用耐火泥密封料10密封。以该柱形电极4作为正极，钢管6作为负极，两极分别通过导电引线9对应联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的直流电源系统7的正、负极上，装配密封后的钢管试样6和柱形电极4与防氧化填充剂11一起由密封料1密封在带渗箱盖12的渗箱2中，将渗箱置于箱式炉中加热，渗硼温度为850℃，当炉温到设定值后，在两极间施加40伏特的直流电场，渗硼保温时间4小时。

试验结果：08Cr2AlMo无缝钢管内壁获得110μm的渗硼层，其硬度在1200～1700HV_0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经850℃×4小时渗硼，钢管内壁的渗硼层厚度只有60μm。

实施例2

被渗材料：08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量5％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％；氯化铵，2％)、疏松剂(木炭，5％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)；

渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：850℃，渗硼时间4小时，柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离8mm，在柱形正极和被渗钢管间施加35伏特的直流电场。试验结果：08Cr2AlMo钢管内壁获得170μm的渗硼层，其硬度在1200～1700HV_0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经850℃×4小时渗硼，08Cr2AlMo的渗硼层厚度只有75μm。

实施例3

被渗材料：08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量10％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％；氯化铵；1％)、疏松剂(木炭，5％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)；

渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：700℃，渗硼时间4小时，柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离8mm，在柱形正极和被渗钢管试样间施加40伏特的直流电场。试验结果：08Cr2AlMo钢管内壁获得70μm的渗硼层，其硬度在1200～1500HV_0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经700℃×4小时渗硼，08Cr2AlMo的渗硼层厚度只有15μm。

实施例4

被渗材料：08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量10％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％)、疏松剂(木炭，5％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。

渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：650℃，渗硼时间4小时。柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离8mm，在柱形正极和被渗试样间施加40伏特的直流电场。试验结果：钢管内壁获得40μm的渗硼层，其硬度在1200～1700HV_0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗硼工艺方法，同样经650℃×6小时渗硼，基本无渗硼层形成。

实施例5

被渗材料：20钢材料的焊接钢管，钢管外径22mm、内径18mm、长度30mm；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量30％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％；氟硼酸钠，5％；氯化铵，2％)、疏松剂(活性炭，5％，木炭，10％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。

渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：600℃，渗硼时间6小时。柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离7mm，在柱形正极和被渗试样间施加50伏特的直流电场。试验结果：钢管内壁获得20μm的渗硼层，其硬度在1100～1500HV_0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经600℃×6小时渗硼，基本无渗硼层形成。

Claims

1.管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼方法，其特征是在欲处理管形零件内部填充由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，管形零件两端密封、绝缘；以柱状电极作为正极，以管形零件作为负极，两极相互平行，极间距离5～50mm(具体根据管件内径确定)，两极分别对应联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的直流电源的正、负极上；管形零件(含柱状电极)与填充剂一起密封在装填有防氧化填充剂的渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为550～950℃，当炉温到设定值后，在两极间加上0～250伏之间的直流电压。

2.实现权利要求1所述的管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼方法的装置，其特征在于由置于管形零件(6)内部填充的粉末渗硼剂(8)中的柱形电极(4)、管形零件(6)两端的密封(5)(10)与绝缘组件(3)、放置管形零件(6)(含柱状电极(4))与填充剂(11)的渗箱(2)、箱盖(12)、电压在0～250伏特范围连续可调的直流电源系统(7)构成，直流电源正负两极分别由导线(9)连接柱状电极(4)与欲渗硼管形零件(6)。

3.根据权利要求2所述的管形零件内表面的直流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于所述柱形电极可为实心电极，也可为材料壁厚范围为0.2～10mm的中空柱形电极，采用熔点在1200℃以上的金属材料制作。

4.根据权利要求2所述的管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼的装置，其特征在于柱形电极与欲渗硼零件之间的距离5～50mm。

5.根据权利要求2所述的管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗硼的装置，其特征在于柱形电极与欲渗硼管形零件内表面之间相互平行放置。