CN103343314B - 一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.8-5.0份，稀土3.8-4.0份，氟硼酸钾6.8-8.4份，三氧化二铝21.3-24.5份，硫脲5.9-7.6份，硼铁53.0-54.5份。本发明具有以下优点：1、共渗后工件变形更小、无相变、无内应力、极大推动在精密件上的应用。2、低温共渗层更厚，约为30～52μm，应用领域广。3、硼-铬-稀土低温共渗成本更低、经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温共渗剂，具体地说是一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂。
背景技术
渗硼是硼原子扩散到金属表面形成金属硼化物的一种热化学表面强化技术。渗硼层具有硬度高、耐蚀性、耐磨性好和抗高温氧化性的优良特点，因此它广泛应用于各种材料，包括有色金属、黑色金属和各种合金。
目前，固体渗硼主要是高温渗硼(850℃～950℃)，存在明显的缺点：渗硼温度高、时间长、工件热处理后变形较大；渗硼层脆性大，与基体结合不牢，容易剥落；鉴于高温渗硼存在以上不足，为降低成本，减少工件变形，拓宽渗硼工艺的广泛应用，目前，国内外学者、专家主要在改变渗剂成分，降低处理温度，采用不同渗硼工艺及渗前、渗后处理工艺等方面进行了研究，其中低温多元渗硼的研究较为成熟。所谓的低温渗硼是指在相变温度以下进行渗硼。
目前，对了低温渗硼的研究，主要是在低温渗硼剂的成分含量上做了大量的研究，主要采用硼铁、硼砂、碳化硼做为供硼剂，国内科研院校学者、专家积极开展此项研究，例如：山东大学、国防科技大学、武汉科技大学、佳木斯大学、郑州工业大学、山东农业大学、山东建筑大学。研究结果表明：最低温度只能控制在650℃，在600℃共渗层不连续、脆性较大、易脱落、厚度较浅(一般为5μm-10μm)。针对目前的研究状况，山东建筑大学材料学院表面科学技术课题组逐步在渗硼前的热处理工艺上开展工作，效果明显。
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。专利CN200810015959.7公开了一种硼-铬-稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺，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，共渗温度为680℃，保温4小时。工件经共渗冷却后，得到相对单一Fe2B渗层，其脆性较小。但共渗层较浅、成本较高、应用领域受限制。同时，此专利公开的渗剂成分中硼砂需先对工业硼砂进行脱水才能使用，且成本较高；石墨质轻，且污染较重；氟硅酸钠共渗时气体量大，影响共渗层和基体的结合性。
发明内容
本发明为克服现有低温多元渗硼技术的不足，提供一种渗前淬火多元渗硼后工件变形小、无相变、无内应力、共渗层较深、较为连续、脆性较小、与基体结合牢固、工件耐磨性较好，同时得到单一Fe2B共渗层的新型的硼-铬-稀土低温共渗剂。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.8-5.0份，稀土3.8-4.0份，氟硼酸钾6.8-8.4份，三氧化二铝21.3-24.5份，硫脲5.9-7.6份，硼铁53.0-54.5份。
共渗工艺，包括工件渗前淬火处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。
硼-铬-稀土低温共渗渗速提高机理分析
为拓宽碳钢在精密器件上的应用，采用硼铬稀土多元低温共渗，但传统工艺渗速较低、渗层较浅。为提高渗速，采用渗前淬火处理，这样下来共渗过程同时也是“回火”过程，巧妙地将调质处理和共渗结合在一起，使基体实现调质处理，表层实现硼铬稀土多元共渗处理。碳钢经淬火处理后组织为马氏体，是一种结构缺陷，还存在位错和孪晶。这样在共渗过程中这些缺陷必然会降低渗硼时所需的激活能，利于共渗层的形成、渗速的提高，渗层厚度的增加；同时碳钢经淬火处理后表面硬度显著提高，降低了基体与共渗层之间的硬度梯度，改善了共渗层的脆性，增强了共渗层与基体的结合性。
碳钢硼铬稀土低温共渗，硼砂型渗剂共渗层比较浅，约为6.5～12μm，很难满足生产需要；碳化硼型渗剂共渗层也比较浅，约为5.6～10μm，且共渗层不均匀；硼铁型渗剂共渗效果明显优于硼砂和碳化硼，其共渗层约为30～52μm，明显高于硼砂型渗剂和碳化硼型渗剂共渗层的厚度，且共渗层组织致密。这就大大拓宽碳钢在精密器件上的应用。
作为活化剂氟硼酸钾的活化性优于氟硅酸钠，这是因为氟硼酸钾的熔点为530℃，而氟硅酸钠的熔点为120℃，氟硼酸钾的熔点高、活性好，且在较低的温度下容易分解，并能保持一定的分解速度。而氟硅酸钠共渗时以气体形式逸出的量大，降低共渗层与基体的结合性，影响共渗效果。
用石墨为填充剂，虽降低了成本，但石墨质轻，润滑性好，致使制作渗硼剂时很难搅拌均匀，制作和使用过程中粉尘大，劳动条件差，且污染较重。以三氧化二铝为填充剂，由于三氧化二铝具有强吸附力和催化活性，在共渗过程中可以吸附水蒸气，降低共渗层的疏松，同时还具有一定的催化活性，可做催化剂，进一步提高渗剂的活性，具有一定的催渗作用。
加入硫脲作为催化剂，虽然尿素在共渗时受热后分解出的H2和CO可以使去除试样表面的氧化膜，使试样表面得到净化，其分解产生的活性氮原子〔N〕优先渗入试样表面起到硼氮共渗的作用，但尿素的加入使共渗层疏松，存在大量孔洞，且有黑色组织存在；而硫脲在共渗时起到催渗作用，避免共渗层中有疏松空洞和黑色组织的存在，但硫脲的加入应适量，一般不超过8％。
本发明具有以下优点：
1、共渗后工件变形更小、无相变、无内应力、极大推动在精密件上的应用。
2、低温共渗层更厚，约为30～52μm，应用领域广。
3、硼-铬-稀土低温共渗成本更低、经济性好。
附图说明
图1是20钢900℃×15min淬火后经600℃×6h共渗层的组织形貌图；
图2是20钢900℃×20min淬火后经600℃×6h共渗层的组织形貌图；
图3是淬火后在600℃×6h下的20钢试样共渗层的显微硬度分布图；
图4是45钢860℃×20min淬火后经600℃×6h共渗层的组织形貌图；
图5是45钢860℃×30min淬火后经600℃×6h共渗层的组织形貌图；
图6是淬火后在600℃×6h下的45钢试样共渗层的显微硬度分布图。
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1：一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.8份，稀土3.8份，氟硼酸钾6.8份，三氧化二铝21.3份，硫脲5.9份，硼铁53.0份。
对20号钢试样进行渗前淬火处理，然后在600℃×6h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.对工件进行渗前淬火处理
工件在900℃淬火，保温时间15分钟，水淬。
2.共渗剂配制
渗剂是上述比例的硼铁型共渗剂，其配制过程如下：
a.将硼铁、高碳铬铁、稀土、三氧化二铝粉碎成120目；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2小时；
c.将烘干后的共渗剂进一步粉碎；
3.装箱
在渗剂中添加硫脲、氟硼酸钾等剩余共渗剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
4.硼-铬-稀土共渗
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
如图1、图3所示，20钢经600℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织致密、齿状不明显、较为均匀、厚度为30μm-33μm，显微硬度范围为1200-1800HV，硬度最大值出现在次外层。
实施例2：一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.9份，稀土3.9份，氟硼酸钾7.0份，三氧化二铝23.5份，硫脲7.2份，硼铁53.5份。
对20号钢试样进行渗前淬火处理，然后在600℃×6h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.对工件进行渗前淬火处理
工件在900℃淬火，保温时间20分钟，水淬。
2.共渗剂配制
渗剂是上述比例的硼铁型共渗剂，其配制过程如下：
a.将硼铁、高碳铬铁、稀土、三氧化二铝粉碎成130目；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2小时；
c.将烘干后的共渗剂进一步粉碎；
3.装箱
在渗剂中添加硫脲、氟硼酸钾等剩余共渗剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
4.硼-铬-稀土共渗
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
如图2、图3所示，20钢经600℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织致密、齿状不明显、较为均匀、厚度为41μm-46μm，显微硬度范围为1200-1800HV，硬度最大值出现在次外层，不是最外层，最外层略为疏松。
实施例3：一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.9份，稀土3.9份，氟硼酸钾8.2份，三氧化二铝22.2份，硫脲7.0份，硼铁53.8份。
对45号钢试样进行渗前淬火处理，然后在600℃×6h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.对工件进行渗前淬火处理
工件在860℃淬火，保温时间20分钟，水淬。
2.共渗剂配制
渗剂是上述比例的硼铁型共渗剂，其配制过程如下：
a.将硼铁、高碳铬铁、稀土、三氧化二铝粉碎成110目；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干3小时；
c.将烘干后的共渗剂进一步粉碎；
3.装箱
在渗剂中添加硫脲、氟硼酸钾等剩余共渗剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
4.硼-铬-稀土共渗
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
如图4、图6所示，45钢经600℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织致密、齿状不明显、较为均匀、厚度为38μm-44μm，显微硬度范围为1200-1800HV，硬度最大值出现在次外层，最外层疏松较厚。
实施例4：一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁5.0份，稀土4.0份，氟硼酸钾8.4份，三氧化二铝24.5份，硫脲7.6份，硼铁54.5份。
对45号钢试样进行渗前淬火处理，然后在600℃×6h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.对工件进行渗前淬火处理
工件在860℃淬火，保温时间30分钟，水淬。
2.共渗剂配制
渗剂是上述比例的硼铁型共渗剂，其配制过程如下：
a.将硼铁、高碳铬铁、稀土、三氧化二铝粉碎成110目；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2.5小时；
c.将烘干后的共渗剂进一步粉碎；
3.装箱
在渗剂中添加硫脲、氟硼酸钾等剩余共渗剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
4.硼-铬-稀土共渗
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
如图5、图6所示，45钢经600℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织明显致密、齿状不明显、较为明显均匀、厚度为45μm-52μm，显微硬度范围为1200-1800HV，硬度最大值出现在次外层，最外层略为疏松，疏松厚度增加。
Claims (5)
1.一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其特征是，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.8-5.0份，稀土3.8-4.0份，氟硼酸钾6.8-8.4份，三氧化二铝21.3-24.5份，硫脲5.9-7.6份，硼铁53.0-54.5份、共渗工艺，包括工件渗前淬火处理、共渗剂配制、工件装箱和硼铬稀土共渗步骤，硼-铬-稀土共渗步骤为：
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
2.一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其特征是，其共渗剂组分含量为：共渗剂组分含量为：高碳铬铁5.0份，稀土4.0份，氟硼酸钾8.4份，三氧化二铝24.5份，硫脲7.6份，硼铁54.5份；共渗工艺，包括工件渗前淬火处理、共渗剂配制、工件装箱和硼铬稀土共渗步骤，硼-铬-稀土共渗步骤为：
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
3.一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其特征是，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.9份，稀土3.9份，氟硼酸钾8.2份，三氧化二铝22.2份，硫脲7.0份，硼铁53.8份；共渗工艺，包括工件渗前淬火处理、共渗剂配制、工件装箱和硼铬稀土共渗步骤，硼-铬-稀土共渗步骤为：
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
4.一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其特征是，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.9份，稀土3.9份，氟硼酸钾7.0份，三氧化二铝23.5份，硫脲7.2份，硼铁53.5份；共渗工艺，包括工件渗前淬火处理、共渗剂配制、工件装箱和硼铬稀土共渗步骤，硼-铬-稀土共渗步骤为：
淬火处理后的工件表面经200#砂纸打磨去除氧化皮，将工件埋入填充共渗剂的渗箱里，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于20mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时；加热炉升温至600℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
5.一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其特征是，其共渗剂组分含量为：高碳铬铁4.8份，稀土3.8份，氟硼酸钾6.8份，三氧化二铝21.3份，硫脲5.9份，硼铁53.0份；共渗工艺，包括工件渗前淬火处理、共渗剂配制、工件装箱和硼铬稀土共渗步骤，硼-铬-稀土共渗步骤为：
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