CN103276349B

CN103276349B - 一种低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂及处理工艺

Info

Publication number: CN103276349B
Application number: CN201310204517.8A
Authority: CN
Inventors: 张进; 薛屺; 辛荣; 秦曾
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: CN103276349A

Abstract

本发明公开了一种低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂及处理工艺，共渗剂由以下组分按质量百分比组成：无水硼砂55～65%，五氧化二钒8～10%，四氯化钛10～15%，铝粉5～8%，氟化钠6～8%，氯化铵2～6%，稀土3～5%。处理工艺包括：对低碳钢表面进行渗碳处理；配制共渗剂：向坩埚内加入无水硼砂并加热到950℃保温2小时，加入五氧化二钒和四氯化钛，10～15分钟后加入铝粉、氟化钠、氯化铵和稀土；将渗碳后的钢片进行酸洗除去表面氧化物，吊入盐浴坩埚中，在850～920℃保温4～6小时后油淬后进行180℃×2h回火处理。本发明能获取高硬度、高耐磨、低脆性的共渗层组织，扩大低碳钢的应用范围，提高使用寿命。

Description

一种低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂及处理工艺

技术领域

本发明涉及黑色金属表面处理技术领域，具体是涉及一种在低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂及处理工艺。

背景技术

在我国的石油机械行业，油气资源在钻采、集输过程中使用的装备基材主要为钢铁材料。随着非常规油气资源的开采，各种仪器设备面临着更加复杂、恶劣的使用环境，对基材的性能也提出了更高的要求，如更高的硬度、良好的耐磨及防腐性能。

由于基材的破坏大都是从表面开始的，因此在其表面附上一层强度高、耐磨、抗氧化的涂层材料，完全可以抑制或减缓各种破坏过程的产生、发展，达到防护的目的。表面防护处理的方法有很多，如气相沉积、电镀、喷涂和渗入技术等，其中，盐浴渗入法是一种应用非常广泛的表面处理技术，它具有操作简单，生产成本低等特点。经过盐浴渗入处理后可以较好的提高基体的硬度、耐磨和耐腐蚀性能，而且盐浴渗入形成的新相与基体结合紧密，附着力强，可以承受较大的载荷而不剥落、损坏。

现有的渗入元素有多种，其中包括渗碳、氮、硼、钛、铌、铬、硅、钨等，有的已成功应用于耐磨件和工模具上，取得较好的应用效果。为了进一步提高渗层的表面硬度和耐腐蚀性能，多采用渗钒、钛处理以形成碳化钒、碳化钛。不过，单一的渗钒虽能得到高硬度的渗层，但渗层薄，不能承受较大载荷，而且碳化钒的热稳定性差。而单一渗钛虽能得到较厚的渗层，但脆性大，易剥落，而且成本较高，目前多采用固体渗入法制备，大大限制其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂，能降低处理温度，使基体零件变形量小，由于加入了氟化钠、氯化钠和稀土，提高了共渗剂的活性，可以促进和加速渗钛速度，操作方便、成本较低。

本发明的另一目的还在于提供该共渗剂的处理工艺，该工艺能够获取高硬度、高耐磨、低脆性的共渗层组织，同时降低渗入的温度，提高渗层的厚度，以满足油田恶劣环境下服役的要求，扩大低碳钢的应用范围，较大程度地提高其使用寿命。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂，由以下组分按质量百分比组成：无水硼砂55～65%，五氧化二钒8～10%，四氯化钛10～15%，铝粉5～8%，氟化钠6～8%，氯化铵2～6%，稀土3～5%。

所述稀土为镧、铯的氯化物，两者的质量百分数比例范围为1:2～1:5。

以上物质均为市售。

一种低碳钢表面钒钛共渗剂的处理工艺，依次包括以下步骤：

（1）对低碳钢表面进行渗碳处理：渗碳温度920～950℃，渗碳时间10～20h，碳势0.9～1.2%；

（2）配制共渗剂：先向坩埚内加入无水硼砂，将其加热到950℃保温2小时，随后加入五氧化二钒和四氯化钛，10～15分钟后加入铝粉、氟化钠、氯化铵和稀土；

（3）将渗碳后的钢片进行酸洗除去表面氧化物，将清洁后的钢片用不锈钢丝吊入盐浴坩埚中，在850～920℃保温4～6小时后油淬，后进行180℃×2h回火处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的混合共渗剂能降低工件处理温度（≤920℃），基体零件变形量小，基盐中加入了氟化钠、氯化铵和稀土，提高了共渗剂的活性，可以促进和加速渗钛速度；

（2）经处理后所得的钒钛共渗层较单一渗钒或渗钛层更致密、均匀，具有较高的显微硬度；

（3）可以处理如含有内孔、凹面等复杂形状工件，工艺设备简单、操作方便、成本较低；

（4）制备的材料在保持表面高硬度的同时，材料芯部具有良好的韧性，渗层表面具有较低的摩擦系数。

附图说明

图1是实施例1中钒钛共渗层断面的金相组织图片。

图2是实施例1中钒钛共渗层断面的扫描电镜图片。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

工件材料：20#钢

低碳钢表面钒钛共渗剂的处理工艺如下：

（1）工件首先进行表面渗碳预处理，渗碳温度920℃，渗碳时间15小时，使表面碳浓度达到0.8%，然后经过酸洗除去表面的氧化物；

（2）共渗剂各种组分及含量按质量百分比为：无水硼砂55%，五氧化二钒占8%，四氯化钛占12%，铝粉占8%，氟化钠占8%，氯化铵占5%，稀土占4%；

（3）将硼砂加热在400℃保温2小时进行脱水处理，再加热至950℃使其形成熔融，然后加入五氧化二钒和四氯化钛，10分钟后加入铝粉、氟化钠、氯化铵和稀土，并混合均匀，最后放入经预处理的工件，在900℃保温6小时，后进行180℃×2h回火处理；

（4）将渗钒钛后的工件在弱碱性沸水中浸泡10分钟，再用清水洗净工件表面附着物。

最终得到钒钛和碳的化合物渗层，厚度均匀，约为10μm，表面显微硬度值为1520HV_（0.1），具有优良的耐磨性。

上述钒钛共渗层断面的金相组织图片见图1，钒钛共渗层断面的扫描电镜图片见图2，钒钛共渗层同单一渗钒、钛层的磨损量、摩擦系数对比数据见表1（注：旋转摩擦磨损试验加载载荷F=200g，转速300r/min，时间120min，与渗层试样对磨的钢球材质为GCr15,硬度62±0.2HRC）。

表1钒钛共渗层同单一渗钒、钛层的磨损量、摩擦系数对比数据

实施例2

工件材料：20#钢

低碳钢表面钒钛共渗剂的处理工艺步骤和实施例1相同，工件表面渗碳预处理的渗碳温度950℃，渗碳时间20小时，表面碳浓度达到0.85%；共渗剂各种组分及含量按质量百分比为：无水硼砂占62%，五氧化二钒占9%，四氯化钛占10%，铝粉占6%，氟化钠占6%，氯化铵占3%，稀土占4%。

最终得到钒钛渗层厚度约为12μm，显微硬度值为1710HV_（0.1）。

实施例3

工件材料：20CrNiMo钢

低碳钢表面钒钛共渗剂的处理工艺步骤和实施例1相同，工件表面渗碳预处理的渗碳温度950℃，渗碳时间20小时，表面碳浓度达到0.9%；共渗剂各种组分及含量按质量百分比为：无水硼砂占65%，五氧化二钒占9%,四氯化钛占10%，铝粉占5%，氟化钠占6%，氯化铵占2%，稀土占3%。

最终得到钒钛渗层厚度约为15μm,显微硬度值为1890HV_（0.1）。

实施例4

工件材料：20CrMoTi

低碳钢表面钒钛共渗剂的处理工艺步骤和实施例1相同，工件表面渗碳预处理的渗碳温度950℃，渗碳时间20小时，表面碳浓度达到1.0%；共渗剂各种组分及含量按质量百分比为：无水硼砂占60%，五氧化二钒占10%，四氯化钛占12%，铝粉占5%，氟化钠占6%，氯化铵占4%，稀土占3%。

最终得到钒钛渗层厚度约为16μm,显微硬度值为2120HV_（0.1）。

本实施例在以本发明方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例，对于其他碳钢和合金钢表面钒钛共渗剂及处理工艺也有一定的指导意义。

Claims

1.一种低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂，由以下组分按质量百分比组成：无水硼砂55～65％，五氧化二钒8～10％，四氯化钛10～15％，铝粉5～8％，氟化钠6～8％，氯化铵2～6％，稀土3～5％；所述稀土为镧、铯的氯化物，两者的质量百分数比例范围为1:2～1:5。

2.采用权利要求1所述的低碳钢表面盐浴稀土钒钛共渗剂对低碳钢表面进行处理的工艺，依次包括以下步骤：

(1)对低碳钢表面进行渗碳处理：渗碳温度920～950℃，渗碳时间10～20h，碳势0.9～1.2％；

(2)配制共渗剂：先向坩埚内加入无水硼砂，将其加热到950℃保温2小时，随后加入五氧化二钒和四氯化钛，10～15分钟后加入铝粉、氟化钠、氯化铵和稀土；

(3)将渗碳后的钢片进行酸洗除去表面氧化物，将清洁后的钢片用不锈钢丝吊入盐浴坩埚中，在850～920℃保温4～6小时后油淬，后进行180℃×2h回火处理。