CN102828147B

CN102828147B - 一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理的方法

Info

Publication number: CN102828147B
Application number: CN201210319139.3A
Authority: CN
Inventors: 鲍崇高; 张艳; 邢建东; 高义民
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN102828147A

Abstract

一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼的方法，先将基材表面去油去锈，喷砂处理，粗糙表面，清洗后烘干待用；其次将B₄C与氧化稀土混合均匀，形成稀土-B₄C混合物，后于水玻璃中混合均匀，涂覆在基材表面，形成稀土-B₄C渗剂层，将涂好基材烘干待用；再将高温胶调匀涂覆于基材的稀土-B₄C渗剂层上，形成高温胶保护层，烘干；然后把Al₂O₃颗粒混合于水玻璃中，涂覆于高温胶层上，形成Al₂O₃保护层，烘干；最后将盐浴容器升温到达共晶化温度，保温后出炉水淬处理，获得渗硼层组织，提高模具材料的耐磨性能，本发明使得共晶渗硼层厚度显著加大，组织致密均匀，晶粒细化，晶界得到强化，增强了渗硼层的表面硬度和韧性，提高了共晶渗硼层的综合性能和使用寿命。

Description

一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理的方法

技术领域

本发明属于金属材料的表面热处理技术领域，特别涉及一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理的方法。

背景技术

磨损作为金属材料的主要破坏形式，在材料的失效中占有重要地位，据不完全统计，能源有1/3~1/2消耗于磨损，材料有80%失效于磨损。目前渗硼处理是提高材料耐磨性最有效的工艺之一。然而传统渗硼工艺耗时长，渗层薄且易剥落。采用高温盐浴共晶化渗硼处理，不仅保证硼化物高的硬度，而且韧性也得到有效提高，此外，明显缩短工艺时间，并获得一定厚度的共晶渗硼层。

公开号为CN 102367564A的专利公开了一种高温盐浴共晶化渗硼处理方法，其特点是渗硼层为共晶组织，渗硼时间大幅缩短，渗硼层厚度较大，而且改善了渗硼层的脆性。但是，在高温盐浴共晶渗硼处理过程中，将试样放入高温熔盐中瞬间，试样表面的渗硼剂层在骤热的高温下容易发生崩裂，导致大部分渗硼剂与基体分离，而先前实验用的单纯氧化铝保护层代替渗硼剂层发生爆裂的同时连带一部分渗硼剂脱落，造成部分基体渗硼不足。其次，由于共晶渗硼处理为液相扩散过程，液相流淌严重，难以保证渗硼试样良好表面质量。另外，渗硼层显微硬度明显降低，韧性有待提高，耐磨性能相对不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理的方法，使得共晶渗硼层厚度显著加大，进一步增强渗硼层的表面硬度和韧性，提高共晶渗硼层的性能和使用寿命。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理的方法，包含以下步骤：

步骤一，将基材表面去油去锈，并进行喷砂处理，表面粗糙度Ra为10~25μm，接着用酒精清洗基材并烘干后待用；

步骤二，先将B₄C与稀土氧化物混合均匀得到稀土-B₄C混合物，其中稀土氧化物为氧化铈CeO₂，B₄C和稀土氧化物的质量比为90％～99％：1％～10％；再将稀土-B₄C混合物与水玻璃混合均匀，得到稀土-B₄C-水玻璃的混合物，其中稀土-B₄C混合物与水玻璃的质量比为40％～60％：60％～40％；

步骤三，将稀土-B₄C-水玻璃的混合物涂覆在基材表面，形成混合渗剂层，涂覆厚度为0.8～1.2mm，涂覆方式为模具刮涂方法，即先选用纸质材料根据基材试样制备所需要求的模具，然后将稀土-B₄C-水玻璃的混合物倒入模具中，用刮具将混合物刮成平整表面，形成混合渗剂层，接着将涂有渗剂层的基材放入烘干炉中烘干待用，烘干温度：350~500℃，升温速度为0.5~1.0℃/s，烘干时间：60~120min；

步骤四，将高温胶混合均匀，利用模具刮涂方法涂覆于基材表面的渗剂层上，形成高温胶保护层，高温胶中固相与液相的质量比例为50%～60%：40%～50%，高温胶保护层厚度为0.8～1.5mm，然后先在室温下干燥20～30h，再分两阶段烘干，第一阶段烘干温度为50～100℃，烘干时间为100～240min，第二阶段烘干温度为100～200℃，烘干时间：100～240min；

步骤五，将Al₂O₃颗粒与水玻璃混合均匀，利用模具刮涂方法涂覆于高温胶保护层上，形成Al₂O₃保护层；其中Al₂O₃与水玻璃的质量比为40％～60％：60％～40％，Al₂O₃颗粒的粒度为100～150目，涂覆厚度为0.8～1.5mm，然后缓慢烘干，烘干温度：350～500℃，升温速度为0.5~1℃/s，烘干时间：60～120min；

步骤六，将箱式电阻炉升温到1150~1250℃，然后将纯NaCl装入坩埚中，放入箱式电炉内，待NaCl完全熔融后将步骤五中处理好的基材放入，保温10~30min；

步骤七，基材出炉后直接进行水淬处理。

本发明的有益效果是：

1.经稀土-共晶化渗硼处理得到的共晶渗硼层厚度远远大于传统渗硼层厚度，有利于提高模具材料的耐磨性能。

2.稀土-共晶化渗硼处理获得的共晶复相组织类型不变，为（Fe₂B+α-Fe，Fe₃(C，B)+α-Fe），但渗硼层组织更优化。加入稀土后渗硼层表层组织更为致密，空洞少，共晶组织明显细化，晶界得到有效强化。

3.稀土-共晶渗硼层显微硬度与未加稀土的共晶渗硼层相比明显提高，显微硬度更为均匀，且渗硼层由表层至基体间的显微硬度梯度进一步减小，有效缓解渗硼层中应力集中现象，避免渗硼层的剥落。共晶渗硼试样加入稀土后，稀土易于偏聚在渗硼层的缺陷处，可以延缓和阻止裂纹的萌生和扩展，从而使共晶渗硼层的韧性得到显著改善，减小了稀土-共晶渗硼层的脆性；另外，稀土对于组织的细化作用也为稀土-共晶渗硼层韧性的提高做出了贡献。

4.稀土-共晶渗硼试样较未加稀土的共晶渗硼试样耐磨性提高了10~15%。稀土的加入使共晶组织细化，渗硼层的强韧性得到增强，表面硬度明显提高，且渗硼层与基体显微硬度值的过渡趋势变缓，使得基体与渗硼层间的结合力增强，有效的减少磨损量，提高稀土-共晶渗硼层的磨损性能。

5.通过对基材表面喷砂预处理，获得粗糙的试样表面，使渗硼剂与基体的接触表面积增加，在一定程度上阻碍共晶液相的流淌；高温胶涂层则可以有效保证渗硼剂完整性，减弱共晶液体流淌，有利于获得良好质量表面的共晶渗硼试样。

6.此外，本发明的操作方法简单，方便可靠，生产成本低。

附图说明

图1为本发明的稀土-共晶化渗硼处理方法流程图。

图2为本发明稀土-共晶化渗硼的基材预处理涂覆层切面示意图。

图3为本发明实施例制得的渗硼层厚度SEM照片，其中图3(a)为未加稀土共晶渗硼层，图3(b)为稀土-共晶渗硼层。

图4为本发明实施例制得的渗硼层显微组织SEM照片，其中图4(a)为未加稀土共晶渗硼层，图4(b)为稀土-共晶渗硼层。

图5为本发明实施例制得的稀土-共晶渗硼层和未加稀土的共晶渗硼层的显微硬度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例：选用45钢作为基材，对其表面进行稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理，基材的化学成分见表1所示。

表1 45钢的化学成分/wt%

参照图1，对45钢表面进行稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理，包含以下步骤：

步骤一，参照图2，将基材1表面去油去锈，并进行喷砂处理，喷砂处理后基材表面粗糙度Ra为20μm，接着用酒精清洗基材并烘干后待用，基体表面喷砂处理一方面能增加渗硼剂与基体的接触表面积，促进渗硼，加快渗硼速度；另一方面，喷砂在基体表面形成的不平整表面，能在一定程度上起到阻碍共晶化处理时共晶液相流淌的作用，有利于得到表面质量良好的共晶渗硼试样；

步骤二，先将B₄C与稀土氧化物混合均匀得到稀土-B₄C混合物，其中稀土氧化物为氧化铈CeO₂，B₄C和稀土氧化物的质量比为91%：9%；再将稀土-B₄C混合物与水玻璃混合均匀，得到稀土-B₄C-水玻璃的混合物，其中稀土-B₄C混合物与水玻璃的质量比为50％：50％；

步骤三，参照图2，将稀土-B₄C-水玻璃的混合物涂覆在基材表面，形成厚度为1.0mm的混合渗剂层2；其中，涂覆方式为模具刮涂方法，即选用纸质材料根据基材试样制备所需要求的模具，然后将稀土-B₄C-水玻璃的混合物倒入模具中，用刮具将混合物刮成平整表面，形成厚度均匀的混合渗剂层2，接着将涂有渗剂层2的基材放入烘干炉中烘干待用，烘干温度：400℃，升温速度为0.5℃/s，烘干时间：100min；

步骤四，参照图2，将高温胶混合均匀，利用模具刮涂方法将其涂覆于基材的渗剂层2上，形成高温胶保护层3；其中高温胶中固相与液相的质量比例为50%：50%，高温胶保护层厚度为0.8mm，然后先在室温下干燥20～30h，再分两阶段烘干，第一阶段烘干温度为100℃，烘干时间为100min，第二阶段烘干温度为200℃，烘干时间为200min；

步骤五，参照图2，将Al₂O₃颗粒与水玻璃混合均匀，利用模具刮涂方法将其涂覆于高温胶保护层3上，形成Al₂O₃保护层4；其中Al₂O₃与水玻璃的质量比为60％：40％，Al₂O₃颗粒的粒度为100～150目，涂覆厚度为0.8mm；然后缓慢烘干，烘干温度为400℃，升温速度为1℃/s，烘干时间：100min；

步骤六，将箱式电阻炉升温到1160℃，然后将纯NaCl装入坩埚中，放入箱式电炉内，待NaCl完全熔融后将步骤五中处理好的基材放入，保温20min；

步骤七，基材出炉后直接进行水淬处理。

参照图3，本发明实施例在45钢基材表面形成稀土-共晶渗硼层厚度为1500μm，未加稀土的共晶渗硼层厚度为800μm。

参照图4，本发明实施例在45钢基材表面形成稀土-共晶渗硼层组织更为均匀，晶粒明显细化，晶界得到有效强化。

参照图5，本发明实施例在45钢基材表面形成稀土-共晶渗硼层显微硬度达到HV1250，高于未加稀土共晶渗硼层显微硬度。

经检测，本发明实施例在钢件表面形成稀土-共晶渗硼层在5000g载荷下硬度压痕法评价表明，压痕周边未产生裂纹、崩溃，仅发生塑性变形，脆性评价为3级，得到大幅改善；而未加稀土共晶渗硼层则出现显微裂纹，脆性评价为5级。稀土-共晶渗硼试样的耐磨性能提高约11%，优于未加稀土共晶渗硼试样磨损性能。

Claims

1.一种稀土催渗高温盐浴共晶化渗硼处理的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一，将基材表面去油去锈，并进行喷砂处理，表面粗糙度Ra为10～25μm，接着用酒精清洗基材并烘干后待用；

步骤二，先将B₄C与稀土氧化物混合均匀得到稀土-B₄C混合物，其中稀土氧化物为氧化铈CeO₂，B₄C和稀土氧化物的质量比为90％～99％:1％～10％；再将稀土-B₄C混合物与水玻璃混合均匀，得到稀土-B₄C-水玻璃的混合物，其中稀土-B₄C混合物与水玻璃的质量比为40％～60％:60％～40％；

步骤三，将稀土-B₄C-水玻璃的混合物涂覆在基材表面，形成混合渗剂层，涂覆厚度为0.8～1.2mm，涂覆方式为模具刮涂方法，先选用纸质材料根据基材试样制备所需要求的模具，然后将稀土-B₄C-水玻璃的混合物倒入模具中，用刮具将混合物刮成平整表面，形成混合渗剂层，接着将涂有渗剂层的基材放入烘干炉中烘干待用，烘干温度：350～500℃，升温速度为0.5～1.0℃/s，烘干时间：60～120min；

步骤四，将高温胶混合均匀，利用模具刮涂方法涂覆于基材表面的渗剂层上，形成高温胶保护层，高温胶中固相与液相的质量比例为50%～60%:40%～50%，高温胶保护层厚度为0.8～1.5mm，然后先在室温下干燥20～30h，再分两阶段烘干，第一阶段烘干温度为50～100℃，烘干时间：100～240min，第二阶段烘干温度为100～200℃，烘干时间：100～240min；

步骤五，将Al₂O₃颗粒与水玻璃混合均匀，利用模具刮涂方法涂覆于高温胶保护层上，形成Al₂O₃保护层；其中Al₂O₃与水玻璃的质量比为40％～60％:60％～40％，Al₂O₃颗粒的粒度为100～150目，涂覆厚度为0.8～1.5mm，然后缓慢烘干，烘干温度：350～500℃，升温速度为0.5～1℃/s，烘干时间：60～120min；

步骤六，将箱式电阻炉升温到1150～1250℃，然后将纯NaCl装入坩埚中，放入箱式电炉内，待NaCl完全熔融后将步骤五中处理好的基材放入，保温10～30min；

步骤七，基材出炉后直接进行水淬处理。