CN103938152B - 一种工件表面低温固体多元渗硼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，其步骤包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗。其中在硼-铬-稀土共渗步骤中，自制渗箱用双层水玻璃泥密封后，室温放置24小时，再升温至570℃-600℃，到温入加热炉，保温6小时，随炉冷却处理。发明具有工件表面硼化物层脆性小、较为连续、与基体结合牢固、硼化物层相对较厚、约为15～23μm、应用领域广、经济性好等优点。

Description

一种工件表面低温固体多元渗硼工艺

技术领域

本发明涉及一种渗硼工艺，具体地说是一种工件表面低温固体多元渗硼工艺。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，工件表面的改性技术得到了长足的发展，尤其是形变化学热处理技术。它以其改善渗层组织性能，大幅度提高钢铁零件耐磨损、耐疲劳等与表面强化有关的性能，并可节约能源、降低生产成本等特别的优势受到人们的广泛关注。固体渗硼技术就是其中的一种方法。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。硼化物层具有硬度高、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。

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。由于高温渗硼(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；鉴于此国内外专家学者重点研究低温渗硼工艺，用来解决高温渗硼的不足。近些年国内外专家学者主要研究低温固体多元渗硼工艺、低温固体多元渗硼剂、低温固体多元活化剂、低温固体渗硼后热处理工艺、低温固体渗硼渗前工艺等等。

目前，现有的低温渗硼工艺主要存在硼化物层较浅、脆性大等不足。为提高工件表面低温固体渗硼的速度，有的专家学者在低温渗硼前对工件表面进行喷丸处理，喷丸时间为0.5h、1h、1.5h、2h；还有的专家学者在低温渗硼前对工件表面进行大变形处理，例如：工件表面机械碾压处理、工件表面超声喷丸处理、工件表面非晶化处理等等。这些低温渗硼工艺均提高了工件表面低温固体渗硼速度。有的低温渗硼工艺将渗硼温度控制在680℃，保温时间为6h，硼化物层为单一的Fe₂B，硼化物层连续、脆性较大、易脱落、厚度为10μm-15μm；还有的渗硼工艺将渗硼温度控制在650℃，保温时间为6h，但硼化物层不连续、脆性大、存在孔洞、硼化物层前沿过渡区较宽，厚度为5μm-10μm。工件表面低温固体渗硼前的工艺主要通过增加工件表面的扩散通道和降低工件表面硼原子的扩散激活能来提高渗速，这种工件表面渗硼工艺其应用前景非常广阔。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种工件表面硼化物层相对较深、脆性小、较为连续、与基体结合牢固、工件耐磨性较好，同时得到单一Fe₂B硼化物层的低温固体多元渗硼工艺。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的。一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。其中在硼-铬-稀土共渗步骤中，自制渗箱用双层水玻璃泥密封后，室温放置24小时，再升温至570℃-600℃，到温入加热炉，保温6小时，随炉冷却处理。共渗剂成分为：硼铁58.0份，高碳铬铁4.8份，稀土3.9份，氟硼酸钾5.2份，尿素2.1份，氯化铵1.2份，硅钙合金10.2份，活性炭14.6份。

低温固体多元渗硼工艺提高扩散速率的机理分析

为拓宽工件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，采用渗前工件表面压缩变形处理，经压缩变形处理后的工件表面晶粒沿压缩垂直方向发生变形，晶粒细小，晶界增多，随压缩变形量的增加，晶粒越细小，晶界越多，这样为活性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；此外，工件经压缩变形处理后表面存在大量的缺陷，例如：残余应力、位错、孪晶等，这些表面的缺陷能够激发硼原子的活性，提高硼原子的扩散速率，加快渗速；同时工件经压缩变形处理后表面硬度显著提高，降低了基体与硼化物层之间的硬度梯度，改善了硼化物层的脆性，增强了硼化物层与基体的结合性。

多边化强化是形变的工件在室温或高温(低于再结晶温度)下加热一段时间，形成多边化组织。多边化处理能够减缓工件发生回复，促进工件再结晶形核，降低工件的再结晶温度，对回复阶段冷变形效果遗传性具有一定的意义。压缩变形的工件经多边化处理后形成多边化组织，晶界增多，硼原子扩散通道增多，利于扩散；此外，压缩变形的工件经多边化处理后随着工件变形量、回火时间、回火温度的变化，会形成稳定性较高的多边化位错亚结构，能够激发硼原子的活性，提高硼原子的扩散速率，进一步提高渗速。

本发明具有以下优点：

1、工件表面硼化物层脆性小、较为连续、与基体结合牢固。

2、低温硼化物层相对较厚，约为15～23μm，应用领域广。

3、低温固体多元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钢经570℃×6h硼化物层的组织形貌图；

图2是20钢经600℃×6h硼化物层的组织形貌图；

图3是45钢经570℃×6h硼化物层的组织形貌图；

图4是45钢经600℃×6h硼化物层的组织形貌图；

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1：一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。

对20号钢试样进行渗前压缩变形处理，多边化处理，硼-铬-稀土共渗，渗后对硼化物层进行观察。其工艺过程如下：

1.渗前压缩变形处理

利用WDW-100型微机控制电子万能试验机对20号钢进行压缩变形处理，变形量为30％。

2.渗前多边化处理

对20号钢进行渗前多边化处理，工艺为550℃×30min，空冷。

3.共渗剂配制

按上述共渗剂成分比例配制，过程如下：

a.将高碳铬铁、硼铁、硅钙合金等粉碎成100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.向烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，进一步混合均匀；

4.工件装箱

将混合均匀的共渗剂装入自制渗箱内，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于30mm。

5.硼-铬-稀土共渗

渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时，加热炉升温至570℃，将渗箱放入，计时保温6小时，随炉冷却。

如图1所示，20钢经570℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织致密、树枝状、均匀、平均厚度为18μm。多边化处理后工件表面晶界增多，为硼原子的扩散提供了更多的扩散通道，有利于渗速的提高；此外，多边化处理后会形成多边化亚结构，降低硼原子的扩散激活能，提高渗速。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，共渗温度为680℃，保温4小时。工艺中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。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，共渗温度为840-860℃，保温4小时。工件经上述工艺共渗冷却后，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，其脆性较大。

实施例2：一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。

对20号钢试样进行渗前压缩变形处理，多边化处理，硼-铬-稀土共渗，渗后对硼化物层进行观察。其工艺过程如下：

1.渗前压缩变形处理

利用WDW-100型微机控制电子万能试验机对20号钢进行压缩变形处理，变形量为30％。

2.渗前多边化处理

对20号钢进行渗前多边化处理，工艺为550℃×30min，空冷。

3.共渗剂配制

按上述共渗剂成分比例配制，过程如下：

a.将高碳铬铁、硼铁、硅钙合金等粉碎成100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.向烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，进一步混合均匀；

4.工件装箱

将混合均匀的共渗剂装入自制渗箱内，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于30mm。

5.硼-铬-稀土共渗

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，随炉冷却。

如图2所示，20钢经600℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织致密、树枝状、均匀、平均厚度为23μm。

实施例3：一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。

对45号钢试样进行渗前压缩变形处理，多边化处理，硼-铬-稀土共渗，渗后对硼化物层进行观察。其工艺过程如下：

1.渗前压缩变形处理

利用WDW-100型微机控制电子万能试验机对45号钢进行压缩变形处理，变形量为30％。

2.渗前多边化处理

对45号钢进行渗前多边化处理，工艺为450℃×30min，空冷。

3.共渗剂配制

按上述共渗剂成分比例配制，过程如下：

a.将高碳铬铁、硼铁、硅钙合金等粉碎成100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.向烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，进一步混合均匀；

4.工件装箱

将混合均匀的共渗剂装入自制渗箱内，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于30mm。

5.硼-铬-稀土共渗

渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时，加热炉升温至570℃，将渗箱放入，计时保温6小时，随炉冷却。

如图3所示，45钢经570℃×6h硼铬稀土共渗，渗层组织致密、树枝状、均匀、平均厚度为15μm。

实施例4：一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤。

对45号钢试样进行渗前压缩变形处理，多边化处理，硼-铬-稀土共渗，渗后对硼化物层进行观察。其工艺过程如下：

1.渗前压缩变形处理

利用WDW-100型微机控制电子万能试验机对45号钢进行压缩变形处理，变形量为30％。

2.渗前多边化处理

对45号钢进行渗前多边化处理，工艺为450℃×30min，空冷。

3.共渗剂配制

按上述共渗剂成分比例配制，过程如下：

a.将高碳铬铁、硼铁、硅钙合金等粉碎成100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.向烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，进一步混合均匀；

4.工件装箱

将混合均匀的共渗剂装入自制渗箱内，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于30mm。

5.硼-铬-稀土共渗

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，随炉冷却。

如图4所示，45钢经600℃×6h硼铬稀土共渗，渗层组织致密、树枝状、均匀、平均厚度为21μm。

Claims (2)

1.一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，其特征是，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤；

对20号钢试样进行渗前压缩变形处理，多边化处理，硼-铬-稀土共渗，渗后对硼化物层进行观察，其工艺过程如下：

(1)渗前压缩变形处理

利用WDW-100型微机控制电子万能试验机对20号钢进行压缩变形处理，变形量为30％；

(2)渗前多边化处理

对20号钢进行渗前多边化处理，工艺为550℃×30min，空冷；

(3)共渗剂配制

按硼铁58.0份，高碳铬铁4.8份，稀土3.9份，氟硼酸钾5.2份，尿素2.1份，氯化铵1.2份，硅钙合金10.2份，活性炭14.6份这一个共渗剂成分比例配制，过程如下：

a.将高碳铬铁、硼铁、硅钙合金、活性炭、氟硼酸钾粉碎成100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.向烘干好的共渗剂中加入尿素、氯化铵和稀土，进一步混合均匀；

(4)工件装箱

将混合均匀的共渗剂装入自制渗箱内，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于30mm；

(5)硼-铬-稀土共渗

渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时，加热炉升温至570℃，将渗箱放入，计时保温6小时，随炉冷却；

20钢经570℃×6h硼铬稀土共渗，共渗层组织致密、树枝状、均匀、平均厚度为18μm。

2.一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，其特征是，包括渗前压缩变形处理、渗前多边化处理、共渗剂配制、工件装箱、硼铬稀土共渗步骤；

对45号钢试样进行渗前压缩变形处理，多边化处理，硼-铬-稀土共渗，渗后对硼化物层进行观察，其工艺过程如下：

(1)渗前压缩变形处理

利用WDW-100型微机控制电子万能试验机对45号钢进行压缩变形处理，变形量为30％；

(2)渗前多边化处理

对45号钢进行渗前多边化处理，工艺为450℃×30min，空冷；

(3)共渗剂配制

按硼铁58.0份，高碳铬铁4.8份，稀土3.9份，氟硼酸钾5.2份，尿素2.1份，氯化铵1.2份，硅钙合金10.2份，活性炭14.6份这一个共渗剂成分比例配制，过程如下：

a.将高碳铬铁、硼铁、硅钙合金、活性炭、氟硼酸钾粉碎成100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.向烘干好的共渗剂中加入尿素、氯化铵和稀土，进一步混合均匀；

(4)工件装箱

将混合均匀的共渗剂装入自制渗箱内，工件与工件之间、工件与箱壁间距离应大于或等于30mm；

(5)硼-铬-稀土共渗

渗箱用双层水玻璃泥密封后，放置24小时，加热炉升温至570℃，将渗箱放入，计时保温6小时，随炉冷却；

45钢经570℃×6h硼铬稀土共渗，渗层组织致密、树枝状、均匀、平均厚度为15μm。