CN103526154A - 一种铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂，属于模具等零件表面强化技术，适合于用表面易磨损、易拉伤的金属模具等零件。其基盐为硼砂，供钒剂为V₂O₅或V-Fe合金，供铬剂为Cr₂O₃或Cr粉，还原剂为Al粉或Si-Ca粉，活化剂为NaF或CaF，稀土为Ce或Ce合金；它们的质量百分比分别为基盐65～80％、供铬剂5～10％、供钒剂5～10％、还原剂3～9％、活化剂3～9％，稀土含量为0.5～8％。与传统的渗钒工艺相比，在获得相同覆层厚度，覆层硬度接近的情况下，本发明的制备方法可以在较低的温度下以及较短时间内制得覆层，具有覆层质量高、使用寿命长、环保节能、生产周期短等显著特点。

Description

一种铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂及其应用方法

技术领域

本发明涉及模具表面处理技术，具体涉及一种共渗金属表面强化技术。

背景技术

模具表面处理技术是模具制造中的关键工艺之一，直接涉及到模具制造精度、机械性能（如强度等）、使用寿命及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。其中，TD（ToyotaDiffusion Coating Process or Thermal Diffusion）处理技术由于具有设备结构简单，操作方便，生产成本低，形成的碳化物具有优异性能而备受世界各国的重视。

目前的TD法碳化物覆层技术多数仅限于单一元素覆层，在实际应用总存在一些问题，例如应用最广泛的碳化钒覆层就存在以下问题：热处理温度较高，通常在900～1050℃；热处理时间长，获得6-15μm的覆层通常需要8～16小时；覆层有较大的脆性，在使用中容易产生剥落；在500℃以上的高温下会产生氧化或分解。另外一种是渗铬层，其抗高温氧化性能虽好，但硬度较低，耐磨性较差，在低、中碳钢的渗铬或渗钒层下均易形成贫碳区，故只适用于轻载下工作的工件。

因此采用TD法铬钒共渗工艺得到研究者的青睐，该工艺能在模具等表面形成高硬度、抗氧化的铬钒稀土多元共渗覆层，克服单一覆层的缺点。其获得的覆层既具有VC、铬的碳化物两者优异性能，又能显著改变钢件表面层特性，改变渗层铬钒成分分布及硬度梯度，降低渗层脆性。

但是，目前的TD法铬钒共渗工艺采用的共渗剂是硼砂基盐、Cr₂O₃或Cr粉供铬剂、V₂O₅或V-Fe合金供钒剂、Al粉或Si-Ca粉、NaF或CaF等组成，其覆层的耐腐蚀性与单渗钒层相比有所提高，但其硬度等仍然较低，耐磨性较差，所需相同厚度覆层的温度较高或时间较长。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种涉及铬钒稀土多元共渗工艺的硼砂盐浴渗金属渗剂，在传统TD铬钒共渗盐浴渗剂基础上，创新性地加入稀土Ce，并且通过研究获得了最佳的Ce添加量和其它盐浴组分的优化配方，得到一种新型的TD法盐浴渗金属渗剂。

本发明的技术方案如下：

本发明渗剂主要由基盐、供铬剂、供钒剂、还原剂、活化剂以及稀土等组成，渗剂中的基盐、供铬剂、供钒剂、还原剂、活化剂和稀土的质量比分别为基盐65～80％、供铬剂5～10％、供钒剂5～10％、还原剂3～9％、活化剂3～9％，稀土含量为0.5～8％。其中基盐为硼砂、氯化钠等混合物，供钒剂为V₂O₅或V-Fe合金，供铬剂为Cr₂O₃或Cr粉，还原剂为Al粉或Si-Ca粉，活化剂为NaF或CaF，稀土为Ce或其合金。

共渗工艺为：首先在坩埚中熔化硼砂，再把其它渗剂组分放入充分反应熔化均匀。同时将工件进行预热处理，然后在900-980℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理2-8小时，获得共渗覆层，然后取出回火。

本发明通过创新性地在渗剂中加入稀土Ce，具有特殊电子结构与化学活性的稀土元素能渗入到钢的表面,在表面层中形成了一定浓度梯度，在相同的化学热处理条件下,稀土元素的添加可使化学热处理过程明显加快，起到催惨作用。

但稀土的催渗效果不但与工艺温度、工艺过程有关，而且与稀土掺入量有关。当渗剂中稀土浓度低时，稀土元素对渗剂分解的促进作用较小，稀土原子活性中心在工件表面的覆盖率也较小，欲渗原子浓度梯度增加得也不多，故而催渗作用不明显；当渗剂中稀土浓度过高时，会引起大量稀土原子堆积在钢表面，使其原子活性中心作用下降。因此，只有当渗剂中稀土浓度适宜时，其活性中心作用才能充分发挥，催惨效果最佳。

本发明通过研究获得了最佳的Ce添加量和其它盐浴组分的优化配方，在硼砂盐浴中进行铬钒稀土多元共渗，通过稀土催化作用，在模具等工件表面制备几微米至二十余微米厚的多元复合碳化物覆层，其微观组织特点在于覆层中以稀土、钒为主的高硬度碳化物规则分布于硬度相对较低的铬碳化物基体中，靠近表层，而铬碳化物主要分布于靠近基体的覆层中。覆层硬度可达2700HV以上，具有比渗钒覆层更高的使用温度以及与基体更强的结合力。

与传统的渗钒工艺相比，在获得相同覆层厚度，覆层硬度接近的情况下，本发明的制备方法可以在较低的温度下以及较短时间内制得覆层，具有覆层质量高、使用寿命长、环保节能、生产周期短等显著特点。

本发明适合于用含碳量≥0.3%wt的表面易磨损、易拉伤的金属模具等零件，广泛应用于汽车零部件、机械、国防工业、冶金、航空航天等行业。

附图说明

图1.Cr12钢经940℃，TD处理4小时后覆层截面微观组织扫描电镜二次电子形貌。

具体实施方式

实施例1

配制渗剂（质量百分比）：硼砂（70%），V₂O₅（6%），Cr₂O₃（8%），Al粉（6%），NaF（6%），Ce（4%）。

首先在坩埚中熔化硼砂，再把其它渗剂组分放入充分反应熔化均匀，同时将Cr12钢模具进行预热处理，温度为400～450℃。在940℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理4小时；取出后直接油淬，在180℃，回火2小时。经测量，模具表面平均硬度为Hv_0.05=2950，渗层厚度为13.2μm。获得的覆层的截面微观组织扫描电镜二次电子形貌参见图1。

实施例2

配制渗剂（质量百分比）：硼砂（70%），V₂O₅（6%），Cr₂O₃（7%），Si-Ca（6%），NaF（6%），Ce-Fe（5%）。

首先在坩埚中熔化硼砂，再把其它渗剂组分放入充分反应熔化均匀，同时将Cr12MoV钢模具进行预热处理，温度为400～450℃。在940℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理4小时；取出后直接油淬，于在180℃，回火2小时。经测量，模具表面平均硬度为Hv_0.05=2850，渗层厚度为12.6μm。

实施例3

配制渗剂（质量百分比）：硼砂（72%），V₂O₅（6%），Cr₂O₃（9%），Si-Ca（5%），NaF（5%），Ce-Fe（3%）。

将Cr12MoV钢模具进行预热处理，温度为400～450℃。在920℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理6小时；取出后直接油淬，于在180℃，回火2小时。经测量，模具表面平均硬度为Hv_0.05=2750，渗层厚度为10.6μm。

实施例4

配制渗剂（质量百分比）：硼砂（76%），V₂O₅（9%），Cr粉（6%），Al粉（5%），CaF（5%），Ce（1%）。

将Cr12MoV钢模具进行预热处理，温度为400～450℃。在980℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理6小时；取出后直接油淬，于在200℃，回火2小时。经测量，模具表面平均硬度为Hv_0.05=2970，渗层厚度为15.7μm。

对比例1

配制渗剂（质量百分比）：硼砂（74%），V₂O₅（7%），Cr₂O₃（7%），Si-Ca（6%），NaF（6%）。

将Cr12钢模具进行预热处理，温度为400～450℃。在940℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理4小时；取出后直接油淬，于在180℃，回火2小时。经测量，模具表面平均硬度为Hv_0.05=1722，渗层厚度为3.75μm。

对比例2

配制渗剂（质量百分比）：硼砂（74%），V₂O₅（6%），Cr₂O₃（8%），Al粉（6%），NaF（6%）。

将Cr12MoV钢模具进行预热处理，温度为400～450℃。在940℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理4小时；取出后直接油淬，于在180℃，回火2小时。经测量，模具表面平均硬度为Hv_0.05=1507，渗层厚度为3.93μm。

Claims (4)

1.一种铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂，其包括基盐、供铬剂、供钒剂、还原剂、活化剂以及稀土；其特征在于：所述基盐为硼砂，供钒剂为V₂O₅或V-Fe合金，供铬剂为Cr₂O₃或Cr粉，还原剂为Al粉或Si-Ca粉，活化剂为NaF或CaF，稀土为Ce或Ce合金；它们的质量百分比分别为基盐65～80％、供铬剂5～10％、供钒剂5～10％、还原剂3～9％、活化剂3～9％，稀土含量为0.5～8％。

2.权利要求1所述的铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂的应用方法，其特征在于首先在坩埚中熔化硼砂，再把其它渗剂组分放入充分反应熔化均匀，同时将工件进行预热处理，然后在900-980℃的温度下在上述渗剂中进行TD处理2-8小时，获得共渗覆层，然后取出回火。

3.根据权利要求2所述的铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂的应用方法，其特征在于：所述覆层平均硬度为Hv0.05>2700，渗层厚度>10μm。

4.根据权利要求2所述的铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属渗剂的应用方法，其特征在于：所述回火温度在150～300℃。

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