CN103014604B - 基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂及渗硼方法 - Google Patents

Abstract

一种基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂及渗硼方法，其特征是它主要由碳化硼、氧化镧和碳化硅组成，其中碳化硼的质量百分比为15%～30%，氧化镧的质量百分比为3%～6%，其余为碳化硅,各组份的百分比之和为100%。渗硼的关键工艺参数为渗硼温度950℃～1050℃、渗硼保温时间5h～20h。采用本发明所述渗硼剂及渗硼工艺，在钛金属表面成功制备了渗层厚、硬度高、韧性高、耐磨性能好、结合性能优良的渗硼层。本发明具有渗速快、渗层厚、工件表面质量好、操作工艺简单、经济性能优良，可用于工业实践生产，具有广阔的应用前景。

Description

基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂及渗硼方法

技术领域

本发明涉及一种化学热处理技术，尤其是一种固体粉末渗硼剂及其渗硼工艺，具体地说是一种基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂及渗硼方法。

背景技术

众所周知，钛金属是一种综合性能极其优异的结构材料，具有比强度高、抗腐蚀、耐高温等优异特性，已广泛应用于航空航天、石油化工、汽车制造和生物医学等领域。然而，钛金属亦有其不可忽略的弊端如硬度低、耐磨性差、摩擦系数高等，极大地限制了其应用范围。钛的硼化物是一种硬度高、导热性好、电阻率低的陶瓷材料，通过渗硼处理在钛金属表面形成一层钛的硼化物，是提高钛金属表面硬度、改善耐磨性的有效手段之一。

固体粉末渗硼是一种常用的渗硼方法。大量研究表明，固体粉末渗硼时，添加稀土可有效催渗，其催渗机理是：稀土元素具有强烈的化学活性，有利于破坏硼、碳元素在各自化合物中的化学键，从而生成大量的活性B原子，加速渗剂的分解，加快渗层的生长速度。公开号为CN 101608295A的发明专利，提出了一种氧化铈催化的固体粉末渗硼剂，该渗硼剂按质量百分比为92%～98%碳化硼和2%～8%氧化铈，并通过将渗件与渗剂在模具中压制成型的工艺防止钛合金高温氧化，该发明专利无需真空或者惰性气体的保护，但其尚存在所制得的渗硼层较薄、渗速较慢等不足。

由此可见，到目前为止，尚没有一种优良的适用于钛金属的固体粉末渗硼剂及其渗硼工艺可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钛金属表面渗硼技术普遍存在的渗速慢、渗层薄、表面质量差等问题，发明一种能够在提高渗速的同时获得表面质量好、渗层厚度大的渗硼层，而且具有良好的可操作性和优良的经济性的基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂，同时提供相配套的渗硼方法。

本发明的技术方案之一是：

一种基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂，其特征是它主要由碳化硼、氧化镧和碳化硅组成，其中碳化硼的质量百分比为15%～30%，氧化镧的质量百分比为3%～6%，其余为碳化硅,各组份的百分比之和为100%。

所述的碳化硼、氧化镧和碳化硅均为微米级粉末，其平均粒径≤10微米。

所述的氧化镧的纯度不低于99%。

本发明的技术方案之二是：

一种基于氧化镧催渗的钛合金表面渗硼改性渗硼方法，其特征是：

首先，按质量百分比为:碳化硼15%～30%，氧化镧3%～6%，其余为碳化硅的比例称取碳化硼、氧化镧和碳化硅，碳化硼、氧化镧和碳化硅均为平均粒径≤10微米的微米级粉末，将称取的粉末混合均匀后置于100℃～120℃烘箱40min～60min烘干，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对钛金属表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器烘干后放入电阻炉内进行渗硼，在950℃～1050℃的渗硼温度下保温5h～20h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗硼层，从而改善钛合金表面的硬度和耐磨性。

所述的容器烘干温度控制在110℃～130℃，烘干时间为30～50分钟。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了一种操作简单、工艺性能优良的钛金属表面氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂及其渗硼工艺。与公开号为CN 101608295A的发明专利相比，本发明无需工件和渗硼剂在模具中压制成型就可以在空气条件下对钛金属进行渗硼处理。

（2）本发明能有效提高渗硼速率、增加渗层厚度，制得高硬度、高韧性的渗硼层。与公开号为CN 101608295A的发明专利相比，在相同的渗硼工艺参数下，渗硼速率增幅为200%～300%，测得外表层显微硬度2800HV～3500HV和次表层显微硬度700HV～1400HV与上述专利相当。

（3）在相同的渗硼工艺参数下，与未添加氧化镧的渗硼层相比，添加氧化镧的渗硼层明显增厚，增幅为43%；硬度也有很大幅度的提高，增幅为34%。

 （4）本发明所制得的渗层具有优良的摩擦磨损性能和很高的韧性。在球-盘式摩擦磨损试验机上（载荷50N、转速100r/min、时间10min、对磨件为直径9.6mm的45#淬火钢球）进行摩擦磨损试验，测得添加氧化镧催渗的渗硼层平均摩擦系数约为0.12，而未添加氧化镧的渗硼层被磨破，表明添加氧化镧的渗硼层具有更好的韧性和耐磨性。

采用本发明所述渗硼剂及渗硼工艺，在钛金属表面成功制备了渗层厚、硬度高、韧性高、耐磨性能好、结合性能优良的渗硼层。

本发明具有渗速快、渗层厚、工件表面质量好、操作工艺简单、经济性能优良，可用于工业实践生产，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1 是本发明实例一的渗硼层金相图片。

图2 是对比施例一的渗硼层金相图片。

图3 是本发明实施例一和对比例一的渗硼层的硬度分布对比图。

图4 是实施例一和对比例一的渗硼层及基体TC4钛合金的摩擦系数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-4所示。

取平均粒径≤10微米的均为微米级粉末的碳化硼20克，氧化镧4克，碳化硅76克混合均匀后置于110℃烘箱烘干50min，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对基体材料为TC4的钛合金表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器加热到120℃，烘干40分钟后放入电阻炉内进行渗硼，在1050℃的渗硼温度下保温20h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗硼层，从而改善钛合金表面的硬度和耐磨性。

经金相显微镜检测其渗硼层厚度为55.65μm（图1），与未添加氧化镧渗硼层厚度（图2）相比增加了43%；渗硼层与基体结合紧密，没有裂纹和孔洞出现；外表层显微硬度2800HV～3200HV，次表层显微硬度为700HV～1400HV，较之添加氧化镧渗硼层相比增加了43%（图3）；耐磨性及韧性也显著高于未添加氧化镧渗硼层和基体TC4钛合金（图4）。

实施例二。

取平均粒径≤10微米的均为微米级粉末的碳化硼15克，氧化镧3克，碳化硅82克混合均匀后置于100℃烘箱烘干40min，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对基体材料为TC4的钛合金表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器加热到120℃，烘干40分钟后放入电阻炉内进行渗硼，在1000℃的渗硼温度下保温10h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗硼层，从而改善钛合金表面的硬度和耐磨性。

经金相观察和性能检测，所制的渗硼层厚度及性能均与实施例一类似。

实施例三。

取平均粒径≤10微米的均为微米级粉末的碳化硼25克，氧化镧5克，碳化硅70克混合均匀后置于120℃烘箱烘干60min，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对基体材料为TC4的钛合金表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器加热到130℃，烘干50分钟后放入电阻炉内进行渗硼，在1000℃的渗硼温度下保温10h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗硼层，从而改善钛合金表面的硬度和耐磨性。

经金相观察和性能检测，所制的渗硼层厚度及性能均与实施例一类似。

实施例四。

取平均粒径≤10微米的均为微米级粉末的碳化硼30克，氧化镧6克，碳化硅64克混合均匀后置于110℃烘箱烘干45min，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对基体材料为TC4的钛合金表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器加热到115℃，烘干45分钟后放入电阻炉内进行渗硼，在950℃的渗硼温度下保温5h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗硼层，从而改善钛合金表面的硬度和耐磨性。

经金相观察和性能检测，所制的渗硼层厚度及性能均与实施例一类似。

实施例五。

取平均粒径≤10微米的均为微米级粉末的碳化硼20克，氧化镧4克，碳化硅76克混合均匀后置于110℃烘箱烘干50min，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对基体材料为TA2的钛合金表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器加热到120℃，烘干40分钟后放入电阻炉内进行渗硼，在1050℃的渗硼温度下保温20h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗硼层，从而改善钛合金表面的硬度和耐磨性。

经金相观察和性能检测，所制的渗硼层厚度及性能均与实施例一类似。

对比例一。

基体材料为TC4钛合金，所采用的固体粉末渗硼剂由20克的碳化硼和80克的碳化硅组成；在1050℃下保温20h进行渗硼处理后，即在钛金属表面制得渗硼层。

经金相显微镜检测可得渗层厚度为29.4μm（图2），其硬度和耐磨性均较实施例二所述差很多（图3和图4）。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于氧化镧催渗的钛合金表面改性用固体粉末渗硼剂的钛合金表面渗硼方法，其特征是：

首先，按质量百分比为:碳化硼15%～30%，氧化镧3%～6%，其余为碳化硅的比例称取碳化硼、氧化镧和碳化硅，碳化硼、氧化镧和碳化硅均为平均粒径≤10微米的微米级粉末，将称取的粉末混合均匀后置于100℃～120℃烘箱40min～60min烘干，获得钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂；

然后，对钛金属表面进行粗化和清洗，获得表面预处理后的钛金属；

最后，将表面预处理后的钛金属和所制好的钛金属表面改性用氧化镧催渗的固体粉末渗硼剂一起放入渗硼容器，渗硼剂需完全覆盖表面预处理后的钛金属，给容器加盖后用高温密封胶将盖与容器的间隙密封，再将容器烘干后放入电阻炉内进行渗硼，在950℃～1050℃的渗硼温度下保温5h～20h时间后取出容器空冷，即可在钛金属表面制得渗层厚、硬度度、韧性高、耐磨性能好、结合性能优良的渗硼层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的容器烘干温度控制在110℃～130℃，烘干时间为30～50分钟。