CN103938150A - 一种新型低温固体渗硼活化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾12.6-17.2份，冰晶石(Na5AlF6)35.8-40.4份、氟化钙(CaF2)23.0-27.6份，尿素14.8-19.4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24～46μm，应用领域广。3、低温固体渗硼中硼原子活性增强、扩散速率提高、经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温活化剂，具体地说是一种新型低温固体渗硼活化剂。
背景技术
目前，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、专家主要在低温多元渗硼上的研究较为成熟。
所谓的低温渗硼是指在相变温度以下进行渗硼。低温渗硼处理可以减小模具变形，降低渗硼脆性，并仍可得到耐磨性较好的表层组织。对一些结构复杂、型腔小、精度要求高的模具特别适用，再加上固体渗硼工艺简单、操作方便、渗件易清洗等优点，已成为渗硼技术的补充和发展。为大大提高硼原子在低温下的活性，提高硼原子低温下的扩散速率，目前，国内为专家学者主要是在低温渗硼剂中活化剂成分含量上做了大量的研究，主要采用氟硼酸钠、氟硼酸钾、尿素、氟化钠、氯化铵等为活化剂，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、山东农业大学、山东建筑大学。研究结果表明：采用各种不同的活化剂，其共渗最低温度只能控制在650℃，且共渗层不连续、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活化剂成分含量上开展工作，效果明显。
中国专利ZL200810015959.7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，其中共渗剂成分中活化剂为氟硅酸钠，重量比为15.5-16份，共渗温度为680℃，保温4小时。工件经上述工艺共渗冷却后，得到相对单一Fe2B渗层，但共渗层较浅；同时由于氟硅酸钠共渗时产生气体，且气体量大，影响共渗层和基体的结合性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种渗前碾压处理低温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共渗层的新型低温固体渗硼活化剂。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾12.6-17.2份，冰晶石(Na5AlF6)35.8-40.4份、氟化钙(CaF2)23.0-27.6份，尿素14.8-19.4份。
一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾12.6份，冰晶石(Na5AlF6)35.8份、氟化钙(CaF2)23.0份，尿素14.8份。
一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾16.6份，冰晶石(Na5AlF6)38.9份、氟化钙(CaF2)25.8份，尿素18.7份。
一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾16.4份，冰晶石(Na5AlF6)39.2份、氟化钙(CaF2)26.6份，尿素17.8份。
一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾17.2份，冰晶石(Na5AlF6)40.4份、氟化钙(CaF2)27.6份，尿素19.4份。
使用该活化剂的共渗剂共渗工艺，包括工件渗前碾压处理、活化剂配制、活化剂粉碎处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。
低温固体渗硼活化剂提高硼原子活性和扩散速率的机理分析
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，采用渗前碳钢表面碾压处理，经碾压处理后的碳钢表面晶粒达到纳米级，晶粒细小，晶界增多，这样为硼原子的扩散提供了更多的通道，便于提高硼原子的扩散速率；同时经碾压处理后碳钢表面存在大量的缺陷，例如：位错、孪晶等，而且位错密度很高，这些表面的缺陷能够在硼铬稀土共渗过程中降低扩散激活能，加快硼原子的扩散；同时碳钢经碾压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，活化剂为氟化钙时共渗层比较浅，约为6～10μm，很难满足生产需要；活化剂为尿素时共渗层也比较浅，约为5.6～10μm，且共渗层存在黑色夹层；活化剂为冰晶石时共渗效果明显优于氟化钙和尿素，其共渗层约为13～26μm，但活化效果远低于混合型活化剂。
作为活化剂氟硼酸钾的活化性较好，这是因为氟硼酸钾的熔点高，熔点为530℃，在较低的温度下容易分解，并能保持一定的分解速度。
冰晶石作为活化剂，由于冰晶石的熔点较高，大于1000℃。在共渗温度下共渗剂保持半熔融状态，而这种状态下的活化剂能够更好地发挥活化能力。同时冰晶石熔点高，高熔点的活化剂活化效果比较好。此外在硼铬稀土共渗过程中，冰晶石分解为NaF和AIF3，而NaF和AIF3又通过一系列化学反应都能够产生活性硼原子，相同含量活化剂的情况下冰晶石的活化性能比氟化钙的活化性能要好。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。
氟化钙作为活化剂，除了和硼砂、硼铁和Si直接反应生成活性硼原子外，反应中生成的BF2气体还可以通过分解反应继续放出活性硼原子，供硼能力较大。分解反应放出的BF3气体还能回到渗剂中，通过反应生成BF2，经过这样的反应循环，渗剂中BF3和BF2的量保持不变，因而随着渗硼的进行，虽然活化剂的含量在不断地减少，但BF3和BF2的量保持不变，可源源不断的为渗硼提供活性硼原子，使渗剂长时间保持催硼活力。
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。
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24～46μm，应用领域广。
3、低温固体渗硼中硼原子活性增强、扩散速率提高、经济性好。
附图说明
图1是20钢碾压后经600℃×6h共渗层的组织形貌图；
图2是20钢碾压后经650℃×6h共渗层的组织形貌图；
图3是45钢碾压后经600℃×6h共渗层的组织形貌图；
图4是45钢碾压后经650℃×6h共渗层的组织形貌图；
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1：一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾12.6份，冰晶石(Na5AlF6)35.8份、氟化钙(CaF2)23.0份，尿素14.8份。
对20号钢试样进行渗前碾压处理，碾压处理参数为4Mpa和1600r/min，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。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前碾压处理
工件在4Mpa和1600r/min下碾压，碾压时间60min。
2.活化剂配制
活化剂按照上述比例进行配制，配制过程如下：
a.将冰晶石、氟化钙粉碎成120目；
b.将a中各活化剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2小时；
c.将烘干后的活化剂进一步粉碎；
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制。
4.装箱
在渗剂中添加氟硼酸钾、尿素等剩余活化剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
5.硼-铬-稀土共渗
碾压处理后的工件表面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28μm-32μm，显微硬度范围为1200-1800HV，硬度最大值出现在次外层。
实施例2：一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾16.6份，冰晶石(Na5AlF6)38.9份、氟化钙(CaF2)25.8份，尿素18.7份。
对20号钢试样进行渗前碾压处理，碾压处理参数为4Mpa和1600r/min，然后在650℃×6h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前碾压处理
工件在4Mpa和1600r/min下碾压，碾压时间60min。
2.活化剂配制
活化剂按照上述比例进行配制，配制过程如下：
a.将冰晶石、氟化钙粉碎成120目；
b.将a中各活化剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2小时；
c.将烘干后的活化剂进一步粉碎；
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制。
4.装箱
在渗剂中添加氟硼酸钾、尿素等剩余活化剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
5.硼-铬-稀土共渗
碾压处理后的工件表面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650℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
如图2所示，20钢经650℃×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34μm-41μm，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3：一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾16.4份，冰晶石(Na5AlF6)39.2份、氟化钙(CaF2)26.6份，尿素17.8份。
对45号钢试样进行渗前碾压处理，碾压处理参数为4Mpa和1600r/min，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。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前碾压处理
工件在4Mpa和1600r/min下碾压，碾压时间60min。
2.活化剂配制
活化剂按照上述比例进行配制，配制过程如下：
a.将冰晶石、氟化钙粉碎成120目；
b.将a中各活化剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2小时；
c.将烘干后的活化剂进一步粉碎；
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制。
4.装箱
在渗剂中添加氟硼酸钾、尿素等剩余活化剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
5.硼-铬-稀土共渗
碾压处理后的工件表面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3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24μm-27μm，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4：一种新型低温固体渗硼活化剂，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾17.2份，冰晶石(Na5AlF6)40.4份、氟化钙(CaF2)27.6份，尿素19.4份。
对45号钢试样进行渗前碾压处理，碾压处理参数为4Mpa和1600r/min，然后在650℃×6h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前碾压处理
工件在4Mpa和1600r/min下碾压，碾压时间60min。
2.活化剂配制
活化剂按照上述比例进行配制，配制过程如下：
a.将冰晶石、氟化钙粉碎成120目；
b.将a中各活化剂组分按比例配好混合均匀后在180℃烘干2小时；
c.将烘干后的活化剂进一步粉碎；
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制。
4.装箱
在渗剂中添加氟硼酸钾、尿素等剩余活化剂，将混合均匀的共渗剂装入渗箱内。
5.硼-铬-稀土共渗
碾压处理后的工件表面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650℃，将渗箱放入，计时保温6小时，然后出炉空气冷却。
如图4所示，45钢经650℃×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38μm-46μm，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)
1.一种新型低温固体渗硼活化剂，其特征是，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾12.6-17.2份，冰晶石(Na5AlF6)35.8-40.4份、氟化钙(CaF2)23.0-27.6份，尿素14.8-19.4份。
2.一种新型低温固体渗硼活化剂，其特征是，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾12.6份，冰晶石(Na5AlF6)35.8份、氟化钙(CaF2)23.0份，尿素14.8份。
3.一种新型低温固体渗硼活化剂，其特征是，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾16.6份，冰晶石(Na5AlF6)38.9份、氟化钙(CaF2)25.8份，尿素18.7份。
4.一种新型低温固体渗硼活化剂，其特征是，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾16.4份，冰晶石(Na5AlF6)39.2份、氟化钙(CaF2)26.6份，尿素17.8份。
5.一种新型低温固体渗硼活化剂，其特征是，其组分按质量比含量为：氟硼酸钾17.2份，冰晶石(Na5AlF6)40.4份、氟化钙(CaF2)27.6份，尿素19.4份。
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