CN109207913A - 一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺 - Google Patents
一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，其特征是包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、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48小时，再升温至550℃‑560℃，到温入加热炉，保温5小时，随炉冷却处理。发明具有工件表面渗硼层脆性小、与基体结合牢固、厚度约为20‑30μm、工艺科学、合理，成果转化潜力大，实用价值广。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合渗硼工艺，具体地说是一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺。
背景技术
工件表面经渗硼处理后，在表面会获得一定厚度的渗硼层，因渗硼层具有高硬度、高耐蚀性、高耐磨性和优良的抗高温氧化性等特点，使渗硼技术得到十分广泛的应用，目前，主要应用在矿山机械、工程机械、农业机具等工件表面强化上。
目前，渗硼方法主要包括气体渗硼、液体渗硼和固体渗硼。其中，气体渗硼和液体渗硼因技术缺陷，大大限制其应用。国内外学者主要研究的渗硼技术为固体渗硼，渗硼温度约为750℃-950℃，渗硼时间约为1h-14h。国内主要研究的高校有山东大学、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。但这样工艺条件下渗硼技术存在明显的不足：①渗硼温度高、时间长、工件热处理后变形较大；②渗硼层脆性大，与基体结合不牢，容易剥落；鉴于以上不足，为进一步拓宽渗硼工艺的广泛应用。国内外学者、专家逐步开始探索低温渗硼技术的研究，并在部分工件表面开始试用。
所谓的低温渗硼是指在相变温度以下进行渗硼。由于低温渗硼技术可以得到单相Fe2B结构，故低温渗硼技术不但可以减小工件变形，更多的是降低了渗硼脆性。这种渗硼技术特别适用于一些结构复杂、型腔小、精度要求高的工件表面；同时该低温渗硼工艺还具有简单、通用、操作方便、渗件易清洗等优点，已成为渗硼技术发展的重要组成部分。
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。中国专利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、渗速低、成本较高。中国专利ZL201310297958.7公开了一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其中包括工件表面淬火处理、共渗剂的配制方法、装箱、硼-铬-稀土共渗、渗后处理等步骤，共渗温度为600℃，保温6小时。工件表面同样可得到单相Fe2B结构渗层。但共渗层与基体结合性不好、成本较高，有脱落现象。中国专利ZL2014101389680公开了一种低中碳钢表面强化新方法，其中包括工件表面淬火处理、共渗剂的配制、装箱、硼-铬-稀土共渗等步骤，共渗温度为570℃-600℃，保温6小时。工件表面同样可得到单相Fe2B结构渗层。但共渗层与基体结合性不好、成本较高，有脱落现象。中国专利ZL2014101389784公开了一种工件表面低温固体多元渗硼工艺，其中包括工件压缩变形处理、多边化处理、共渗剂的配制、装箱、硼-铬-稀土共渗等步骤，共渗温度为570℃-600℃，保温6小时。工件表面同样可得到单相Fe2B结构渗层。但共渗层与基体结合性不好（45钢）、成本较高。
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，提供一种工件表面渗硼层相对较深、脆性小、较为连续、与基体结合牢固，同时得到单相Fe2B结构渗硼层复合渗硼工艺。该工艺科学、合理，成果转化潜力大，实用价值广，主要应用在液压油缸活塞杆表面强化上。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的。一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、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48小时，再升温至550℃-560℃，到温入加热炉，保温5小时，随炉冷却处理。共渗剂成分为：高碳铬铁6.1-6.2份，氯化稀土5-6份，氟硅酸钠15.5-16份，硅钙合金11-11.5份，硼砂23-23.5份，石墨35-35.5份，尿素1.8-2份，氯化铵1-1.05份。
低温复合渗硼工艺提高扩散速率的机理分析。
工件经调质处理后表层组织为回火索氏体，工件表面硬度较高，心部塑性较好。随后的微加工处理，目的是去除经调质处理后工件表面的氧化皮，为后续工艺做准备。为提高渗速，采用渗前工件表面高频淬火处理，经表面淬火处理后的工件表层的组织为马氏体和残余奥氏体，两者均为结构缺陷，除此之外，工件表层还存在大量的应力、位错等缺陷，这些缺陷为后续的硼-铬-稀土低温共渗提供能量和结构的支持，激发了硼原子的活性，提高硼原子的扩散速率，加快渗速。另外，工件经表面淬火处理后，表层硬度大大提高，降低了基体与渗硼层之间的硬度梯度，改善了渗硼层的本质脆性，增强了渗硼层与基体的结合性。表面淬火处理后进行的微加工处理，目的也是去除经表面淬火处理后工件表面存在的氧化皮，为后续的硼-铬-稀土低温共渗做铺垫，提高渗硼层与基体的结合性，改善渗硼层质量。
本发明具有以下优点：
1、工件表面渗硼层脆性小、较为连续、与基体结合牢固。
2、低温渗硼层相对较厚，约为20-30μm ，主要应用在液压油缸活塞杆表面强化上。
3、低温复合渗硼中硼原子活性增强、扩散速率提高、成本低。
4、低温复合渗硼工艺科学、合理，成果转化潜力大，实用价值广。
附图说明
图1是Q235钢经550℃×5h渗硼层的组织形貌图；
图2是Q235钢经560℃×5h渗硼层的组织形貌图；
图3是Q235钢经560℃×5h渗硼层的脆性；
图4是45钢经550℃×5h渗硼层的组织形貌图；
图5是45钢经560℃×5h渗硼层的组织形貌图；
图6是45钢经560℃×5h渗硼层的脆性。
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1：一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、共渗剂配制、工件装箱、硼-铬-稀土共渗步骤。
对Q235钢试样进行渗前渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、硼-铬-稀土共渗，渗后对渗硼层进行观察。其工艺过程如下：
1.渗前调质处理
利用箱式电阻炉对Q235钢进行淬火+高温回火处理处理。试样尺寸为10mm×10mm×10mm，淬火温度为920℃，保温时间为30min，水淬；回火温度550℃，保温时间为30min。
2.渗前微加工处理
利用机床对Q235钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
3.渗前表面高频淬火处理
利用高频感应加热炉对Q235钢进行表面高频淬火处理，淬火温度为940℃，保温时间为14s，水淬。
4.渗前微加工处理
利用机床对Q235钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
5.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、硼砂、硅钙合金等粉碎成100目左右，并搅拌均匀；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在200℃烘干2-3小时，炉冷；
c.将烘干好的共渗剂进一步粉碎，并搅拌均匀；
d.向共渗剂c中加入尿素和氯化铵等材料，进一步搅拌均匀，待用。
6.工件装箱
将搅拌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50mm。
7.硼-铬-稀土共渗
渗箱用双层水玻璃泥密封后，在干燥环境中放置48小时，加热炉升温至550℃，将渗箱放入，计时保温5小时，随炉冷却。
如图1所示，Q235钢经550℃×5h硼铬稀土共渗，渗硼层组织致密、连续、平均厚度为25µm，渗硼层与基体结合牢固。
实施例2：一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、共渗剂配制、工件装箱、硼-铬-稀土共渗步骤。
对Q235钢试样进行渗前渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、硼-铬-稀土共渗，渗后对渗硼层进行观察。其工艺过程如下：
1.渗前调质处理
利用箱式电阻炉对Q235钢进行淬火+高温回火处理处理。试样尺寸为10mm×10mm×10mm，淬火温度为920℃，保温时间为30min，水淬；回火温度550℃，保温时间为30min。
2.渗前微加工处理
利用机床对Q235钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
3.渗前表面高频淬火处理
利用高频感应加热炉对Q235钢进行表面高频淬火处理，淬火温度为940℃，保温时间为14s，水淬。
4.渗前微加工处理
利用机床对Q235钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
5.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、硼砂、硅钙合金等粉碎成100目左右，并搅拌均匀；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在200℃烘干2-3小时，炉冷；
c.将烘干好的共渗剂进一步粉碎，并搅拌均匀；
d.向共渗剂c中加入尿素和氯化铵等材料，进一步搅拌均匀，待用。
6.工件装箱
将搅拌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50mm。
7.硼-铬-稀土共渗
渗箱用双层水玻璃泥密封后，在干燥环境中放置48小时，加热炉升温至550℃，将渗箱放入，计时保温5小时，随炉冷却。
如图2所示，Q235钢经560℃×5h硼铬稀土共渗，渗硼层组织致密、连续、平均厚度为30µm，渗硼层与基体结合牢固。
利用涂层附着力自动划痕仪测定了渗硼层的脆性，具体如图3所示，在脆性图中出现了一定的声发射信号峰值，峰值的多少表明渗硼层出现裂纹几率的大小，即脆性的大小。从图3可以看出，几乎不存在声发射信号峰值，表明渗硼层脆性较低。
实施例3：一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、共渗剂配制、工件装箱、硼-铬-稀土共渗步骤。
对45钢试样进行渗前渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、硼-铬-稀土共渗，渗后对渗硼层进行观察。其工艺过程如下：
1.渗前调质处理
利用箱式电阻炉对45钢进行淬火+高温回火处理处理。试样尺寸为10mm×10mm×10mm，淬火温度为860℃，保温时间为30min，水淬；回火温度580℃，保温时间为30min。
2.渗前微加工处理
利用机床对45钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
3.渗前表面高频淬火处理
利用高频感应加热炉对45钢进行表面高频淬火处理，淬火温度为860℃，保温时间为14s，水淬。
4.渗前微加工处理
利用机床对45钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
5.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、硼砂、硅钙合金等粉碎成100目左右，并搅拌均匀；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在200℃烘干2-3小时，炉冷；
c.将烘干好的共渗剂进一步粉碎，并搅拌均匀；
d.向共渗剂c中加入尿素和氯化铵等材料，进一步搅拌均匀，待用。
6.工件装箱
将搅拌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50mm。
7.硼-铬-稀土共渗
渗箱用双层水玻璃泥密封后，在干燥环境中放置48小时，加热炉升温至550℃，将渗箱放入，计时保温5小时，随炉冷却。
如图4所示，45钢经550℃×5h硼铬稀土共渗，渗层组织致密、连续、平均厚度为20µm、渗硼层与基体结合性较好。
实施例4：一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、共渗剂配制、工件装箱、硼-铬-稀土共渗步骤。
对45钢试样进行渗前渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、硼-铬-稀土共渗，渗后对渗硼层进行观察。其工艺过程如下：
1.渗前调质处理
利用箱式电阻炉对45钢进行淬火+高温回火处理处理。试样尺寸为10mm×10mm×10mm，淬火温度为860℃，保温时间为30min，水淬；回火温度580℃，保温时间为30min。
2.渗前微加工处理
利用机床对45钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
3.渗前表面高频淬火处理
利用高频感应加热炉对45钢进行表面高频淬火处理，淬火温度为860℃，保温时间为14s，水淬。
4.渗前微加工处理
利用机床对45钢进行渗前微加工处理，去除表面氧化皮即可。
5.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、硼砂、硅钙合金等粉碎成100目左右，并搅拌均匀；
b.将a中各共渗剂组分按比例配好混合均匀后在200℃烘干2-3小时，炉冷；
c.将烘干好的共渗剂进一步粉碎，并搅拌均匀；
d.向共渗剂c中加入尿素和氯化铵等材料，进一步搅拌均匀，待用。
6.工件装箱
将搅拌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50mm。
7.硼-铬-稀土共渗
渗箱用双层水玻璃泥密封后，在干燥环境中放置48小时，加热炉升温至560℃，将渗箱放入，计时保温5小时，随炉冷却。
如图5所示，45钢经560℃×5h硼铬稀土共渗，渗层组织致密、连续、平均厚度为27µm、渗硼层与基体结合性较好。
利用涂层附着力自动划痕仪测定了渗硼层的脆性，具体如图6所示，在脆性图中出现了一根的声发射信号峰值，可见，渗硼层脆性也比较低。
Claims (1)
1.一种低中碳钢表面低温复合渗硼工艺，其特征是包括渗前调质处理、渗前微加工处理、渗前表面高频淬火处理、渗前微加工处理、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48小时，再升温至550℃-560℃，到温入加热炉，保温5小时，随炉冷却处理。
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