CN103469150B - 以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法 - Google Patents

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Abstract

以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其工艺步骤如下：准备足够量的主渗剂金刚石，计算主渗剂金刚石的工艺消耗量，kg；按工艺消耗主渗剂金刚石量的3‰―8‰选取纳米结构碳助渗剂的量；将经过分散液分散过的助渗剂和金刚石放在一起均匀混合后备用；将混合好的金刚石和助渗剂的混合料均匀涂在工件表面上；向涂有金刚石和助渗剂混合料的表面上盖一层10mm的主渗剂金刚石；将装有工件的容器放入须有保护气体的箱式或井式炉中；升温到900―1550摄氏度的温度后开始保温1―50小时；待工件达到室温后将工件从炉中取出。本发明具有渗透快，渗层深，硬度高，耐磨性好的优点。

Description

以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法
技术领域
本发明涉及金属表面热处理技术领域，特别是涉及以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法。
背景技术
在当今世界上，使用最广泛的金属材料就是钢铁，而现有钢种的性能是固定的，比如低碳合金钢，硬度低而塑性比较好，如20Cr2Ni4A；但不能满足广泛领域的需要，如轴承领域。于是科技工作者就发明了一些特殊的表面热处理的方法，如渗碳、渗氮、渗钒等技术来改变钢材的硬度、耐磨性和防腐性等，以满足工程上对这些材料性能的需求。
但是，上述的钢材表面热处理的方法仍有很多不足之处。如渗碳工艺周期长，5mm的渗层要渗110个小时，而硬度永远小于等于HRC63度；渗氮、渗钒等工艺虽然渗层硬度高，但不耐冲击；而且渗层薄，工件受大的震动或冲击渗层就会脱落，导致工件失效。如果需要在工件表面上有10—20mm深的渗层，世界现有的热处理方法根本无法解决。本发明提供的以纳米结构碳作为助渗剂渗金刚石的方法就能解决上述难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种渗透快，渗层深，硬度高，耐磨性好的以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法。
采用的技术方案是：
以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其工艺步骤如下：
   （1）准备足够量的主渗剂金刚石，其工艺消耗量按以下方式计算：
W = 7.8 *（K·S·H）
式中：S是需要渗金刚石工件和金刚石直接接触的表面积，dm2；
H是渗金刚石所需的渗入深度，dm；
K是计算系数，依S和H的变化大小而定，3‰-11‰；
W是渗金刚石的工艺消耗量，kg；
（2）按工艺消耗主渗剂金刚石量的3‰―8‰选取纳米结构碳助渗剂的量，并经分散液处理；
（3）将经过分散液分散过的纳米结构碳助渗剂和主渗剂金刚石（W）放在一起均匀混合后备用；
（4）将工件清洗干净放入焊好的容器内；
（5）将混合好的主渗剂金刚石和纳米结构碳助渗剂的混合料均匀涂在工件表面上；
（6）向涂有主渗剂金刚石和纳米结构碳助渗剂混合料的表面上盖一层10mm的主渗剂金刚石；
（7）将装有工件的容器放入须有保护气体的箱式或井式炉中，或真空炉中；
（8）根据炉中工件钢种不同升温到900―1550摄氏度的温度后开始保温；
（9）保温时间达到1―50小时后关闭电源；
（10）待工件达到室温后将工件从炉中取出；
（11）把工件表面的金刚石除净后以备重复使用；
（12）将渗完金刚石的工件送去热处理。
上述的主渗剂金刚石的粒度须大于等于0.5nm，小于等于20μm。
上述的纳米结构碳助渗剂的粒度须大于等于0.5nm，粒度或长度小于等于20μm。
上述的纳米结构碳可以是无定型碳、石墨、纳米碳管、富勒烯混合物，也可是一种单体，或是两种单体的混合物。
本发明获得的有益效果是：
1．渗透快，一小时能渗2mm深；
2．渗层深，根据工艺需求，渗层可达数十毫米深；
3．硬度高，以Cr12MoV为例硬度可达HRC 69.5度；
4．耐磨性好，以现有泵车上用的眼镜板为例，以前是在眼镜板上焊接硬质合金块做磨料，现在用本发明的方法对40Cr渗金刚石经热处理后其耐磨性和使用寿命均超过硬质合金，而价格仅为硬质合金的四分之一至八分之一。
实施例
以切割环为例，其整个工艺过程是：
首先准备好粒度须大于等于0.5nm，小于等于20μm主渗料金刚石1.2kg，再按公式计算金刚石工艺的消耗量W，计算时取S = 1.2dm2，H = 0.8dm，K = 8‰，代入公式
W = 7.8 *（K·S·H）= 7.8 *（1.2 * 0.8 * 0.008）= 0.06kg
得主渗剂金刚石工艺消耗量：0.06kg。计算纳米结构碳助渗剂的消耗量：0.06×0.003得纳米结构碳助渗剂的消耗量为0.00018kg，取0.00018kg粒度须大于等于0.5nm，粒度或长度小于等于20μm的石墨与纳米碳管混料用分散液进行分散处理，分散后与0.06kg的主渗剂金刚石均匀混合，将混合均匀的纳米结构碳助渗剂和主渗剂金刚石均匀地涂抹在切割环的上下表面上。取0.6公斤金刚石放在容器底部铺平，将涂有主渗剂金刚石和纳米结构碳助渗剂的混合料的切割环放在容器内，将剩余金刚石均匀盖在切割环上，达10mm以上。把容器放在箱式炉内，接通电源，电炉升温，温度达到摄氏1080度后开始保温，保温12小时以后切断电源，待电炉降到室温时将切割环取出，把切割环上的金刚石清除干净，将渗完金刚石的切割环淬火后低温回火。回火后焊到环托件底部即可。
此环是和泵车的眼镜板配套使用，材料是40Cr。

Claims (4)

1.以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其特征包括如下工艺步骤：
   （1）准备足够量的主渗剂金刚石，其工艺消耗量按以下方式计算：
W = 7.8 *（K·S·H）
式中：S是需要渗金刚石工件和金刚石逐渐接触的表面积，dm2；
H是渗金刚石所需的渗入深度，dm；
K是计算系数，依S和H的变化大小而定，3‰-11‰；
W是渗金刚石的工艺消耗量，kg；
（2）按工艺消耗主渗剂金刚石量的3‰―8‰选取纳米结构碳助渗剂的量，并经分散液处理；
（3）将经过分散液分散过的纳米结构碳助渗剂和主渗剂金刚石（W）放在一起均匀混合后备用；
（4）将工件清洗干净放入焊好的容器内；
（5）将混合好的主渗剂金刚石和纳米结构碳助渗剂的混合料均匀涂在工件表面上；
（6）向涂有主渗剂金刚石和纳米结构碳助渗剂混合料的表面上盖一层10mm的主渗剂金刚石；
（7）将装有工件的容器放入须有保护气体的箱式或井式炉中，或真空炉中；
（8）根据炉中工件钢种不同升温到900―1550摄氏度的温度后开始保温；
（9）保温时间达到1―50小时后关闭电源；
（10）待工件达到室温后将工件从炉中取出；
（11）把工件表面的金刚石除净后以备重复使用；
（12）将渗完金刚石的工件送去热处理。
2.根据权利要求1所述的以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其特征在于所述的主渗剂金刚石的粒度须大于等于0.5nm，小于等于20μm。
3.根据权利要求1所述的以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其特征在于所述的纳米结构碳助渗剂的粒度须大于等于0.5nm，粒度或长度小于等于20μm。
4.根据权利要求1所述的以纳米结构碳作为助渗剂向钢铁材料渗金刚石的方法，其特征在于所述的纳米结构碳可以是无定型碳、石墨、纳米碳管、富勒烯混合物，也可是一种单体，或是两种单体的混合物。
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