CN109207914A - 一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂 - Google Patents

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杨晓洁
许斌
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Abstract

本发明公开了一种工件表面强化低温固体B‑Cr‑Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.2‑11.1份，氯化铈（CeCl3）28.8‑31.4份，氧化镧（La2O3）34.0‑37.6份，氟化镧（LaF3）18.8‑27.3份。本发明具有以下优点：1、共渗温度更低，成本更低，工件变形更小、无相变、无内应力、拓宽了在精密件上的应用；2、低温共渗层更加致密，无孔洞，厚度约为25~50μm，应用领域更广；3、低温共渗层质量更好，经济性更好，产业化潜力更大。

Description

一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂
技术领域
本发明涉及一种低温催渗剂，具体地说是一种低温固体B-Cr-Re催渗剂。
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。为提高硼原子低温时的扩散速度，改善渗硼层的质量。目前，山东建筑大学材料学院表面科学技术课题组逐步在催渗剂成分含量优化上开展了大量的研究工作，效果较为明显。主要采用氯化镧、氯化铈、氧化镧、氟化镧等为催渗剂。
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，其中共渗剂成分中催渗剂为氯化镧，重量比为 5.0-6.0份，共渗温度为680℃，保温4h。工件经上述工艺共渗冷却后，得到相对单一的Fe2B结构，但共渗层较浅，共渗层上存在一些大小不均的孔洞。
中国专利ZL201310297958.7公开了一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其中共渗剂成分中催渗剂为氯化镧，重量比为3.8-4.0份，共渗温度为600℃和650℃，保温6h。相对上一个专利催渗剂的用量明显降低，工件经这种工艺共渗冷却后，仍为单相Fe2B结构，共渗层厚度约为30-52μm。但共渗层上仍然存在大小不均的孔洞，影响在精密器件上的应用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种渗前表面淬火处理低温固体B-Cr-Re共渗后工件变形小、无相变、无内应力、共渗层更加致密、无孔洞、成本更低、技术产业化潜力更大，同时得到单相Fe2B结构共渗层的低温固体B-Cr-Re共渗催渗剂。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.2-11.1份，氯化铈（CeCl3）28.8-31.4份，氧化镧（La2O3）34.0-37.6份，氟化镧（LaF3）18.8-27.3份。
一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.2份，氯化铈（CeCl3）28.8份，氧化镧（La2O3）34.0份，氟化镧（LaF3）18.8份。
一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）9.3份，氯化铈（CeCl3）30.1份，氧化镧（La2O3）35.0份，氟化镧（LaF3）25.6份。
一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.9份，氯化铈（CeCl3）29.8份，氧化镧（La2O3）36.8份，氟化镧（LaF3）24.5份。
一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）11.1份，氯化铈（CeCl3）31.4份，氧化镧（La2O3）37.6份，氟化镧（LaF3）27.3份。
使用该催渗剂的共渗剂共渗工艺，包括工件渗前表面淬火处理、催渗剂配制、催渗剂搅拌处理、共渗剂配制、工件装箱、低温B-Cr-Re共渗步骤。
低温固体B-Cr-Re催渗剂提高共渗层致密性和消除孔洞的机理分析：
为拓宽碳钢在精密器件上的应用，采用B-Cr-Re多元低温共渗，但传统工艺渗速较低、渗层较浅。为提高渗速，采用渗前碳钢表面淬火处理，经表面淬火处理后的碳钢表层存在着结构缺陷，例如：马氏体和残余奥氏体，残余应力等等。这些缺陷能够为后续的B-Cr-Re多元共渗提供结构条件和能量条件，提高共渗层的厚度，改善共渗层的质量。
碳钢表面B-Cr-Re低温共渗，催渗剂为氯化镧时，其对渗硼的作用效果取决于整体共渗剂组分相互作用的结果。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，其中共渗剂成分中催渗剂为氯化镧，但共渗层较浅，共渗层上存在一些大小不均的孔洞，中国专利ZL201310297958.7公开了一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其中共渗剂成分中催渗剂为氯化镧，但共渗层上仍然存在大小不均的孔洞。很难满足生产需要，催渗剂为氯化镧、氯化铈、氧化镧、氟化镧时，催渗效果远优越于氯化镧。氯化镧、氧化镧、氟化镧作为催渗剂时，起到催渗作用的主要元素为镧元素，稀土元素对整个化学热处理过程均有一定的影响，不但能够加快共渗剂分解，而且能够促进试样表面对活性硼原子的吸附，同时还提高了硼原子向试样表层的扩散。
具体的作用主要表现在两个方面：
（1）共渗剂成分通过复杂的化学作用产生活性的稀土原子，此时这种原子的活性极高，将较多的硼原子吸引在自己的周围，并形成有效的“活性中心”，一个活性稀土原子可以带动几个活性硼原子被吸附。“活性中心”硼原子浓度不断提高，硼原子就会不断向试样中扩散，而后，新的“活性中心”又会形成，这样，在稀土原子的带动下，就会加速硼原子的扩散。
（2）硼原子半径与奥氏体八面体间隙较近，发生间隙扩散，一但稀土元素加入，情况就会发生变化，稀土元素会引起奥氏体晶格畸变，这样晶体中空位和位错就会增加，硼原子向试样表层扩散的“通道”就会增加，硼原子的扩散系数就会大大提高，硼原子的扩散速度也会得到提高。
但氯化镧、氧化镧、氟化镧作为催渗剂时，在共渗剂组分之间发生相互作用时，三者被激发出的活性原子活性不同，减少共渗层孔洞数量也不相同。氯化镧密度3.842g/cm3，熔点860℃，沸点>1000℃。氯化镧加热时强烈吸湿，大大降低共渗剂分解时，各种气体的产生，增强共渗层的致密性，但成本高；氧化镧密度6.51g/cm3，熔点2217℃，沸点4200℃。氯化镧加热时易吸收二氧化碳和水，同样降低了共渗剂分解时，各种气体的产生，增强共渗层的致密性，但活性较差；氟化镧熔点1493℃，几乎不溶于水，在B-Cr-Re低温共渗过程中，活性良好。
氯化铈作为催渗剂时，起到催渗作用的主要元素为铈元素。氯化铈密度3.92g/cm3，熔点848℃，沸点1727℃。氯化铈加热时活性最强，强烈吸湿，遇热脱水，大大降低共渗剂分解时，各种气体的产生，增强共渗层的致密性。
本发明具有以下优点：
1、共渗温度更低，成本更低，工件变形更小、无相变、无内应力、拓宽了在精密件上的应用。
2、低温共渗层更加致密，无孔洞，厚度约为25~50μm ，应用领域更广。
3、低温共渗层质量更好，经济性更好，产业化潜力更大。
附图说明
图1是Q235钢表面淬火处理后经580℃×5h共渗层的组织形貌图；
图2是Q235钢表面淬火处理后经590℃×5h共渗层的组织形貌图；
图3是45钢表面淬火处理后经580℃×5h共渗层的组织形貌图；
图4是45钢表面淬火处理后经590℃×5h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1：一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.2份，氯化铈（CeCl3）28.8份，氧化镧（La2O3）34.0份，氟化镧（LaF3）18.8份。
对Q235钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14S、水淬，然后在580℃×5h条件下进行B-Cr-Re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前表面淬火处理
表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14S、水淬。
2.催渗剂配制
按照上述比例进行配制。
3.共渗剂配制按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：
a.将氯化镧、氧化镧、氟化镧、氯化铈等化合物，按照上述比例进行配制，并不断进行搅拌；
b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各催渗剂组分进行充分搅拌；
c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；
d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；
e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。
4.装箱
将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。
5.B-Cr-Re共渗
装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至580℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。
如图1所示，Q235钢经580℃×5h的B-Cr-Re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、较为均匀、厚度为27µm-37µm，共渗层质量好。
实施例2：一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）9.3份，氯化铈（CeCl3）30.1份，氧化镧（La2O3）35.0份，氟化镧（LaF3）25.6份。
对Q235钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14S、水淬，然后在590℃×5h条件下进行B-Cr-Re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前表面淬火处理
表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14S、水淬。
2.催渗剂配制
按照上述比例进行配制。
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：
a.将氯化镧、氧化镧、氟化镧、氯化铈等化合物，按照上述比例进行配制，并不断进行搅拌；
b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各催渗剂组分进行充分搅拌；
c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；
d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；
e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。
4.装箱
将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。
5.B-Cr-Re共渗
装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至590℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。
如图2所示，Q235钢经590℃×5h的B-Cr-Re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、较为均匀、厚度为32µm-43µm，共渗层质量好。
实施例3：一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.9份，氯化铈（CeCl3）29.8份，氧化镧（La2O3）36.8份，氟化镧（LaF3）24.5份。
对45钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14S、水淬，然后在580℃×5h条件下进行B-Cr-Re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前表面淬火处理
表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14S、水淬。
2.催渗剂配制
按照上述比例进行配制。
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：
a.将氯化镧、氧化镧、氟化镧、氯化铈等化合物，按照上述比例进行配制，并不断进行搅拌；
b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各催渗剂组分进行充分搅拌；
c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；
d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；
e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。
4.装箱
将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。
5.B-Cr-Re共渗
装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至580℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。
如图3所示，45钢经580℃×5h的B-Cr-Re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、齿状形貌、较为均匀、厚度为28µm-31µm，共渗层质量好。
实施例4：一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）11.1份，氯化铈（CeCl3）31.4份，氧化镧（La2O3）37.6份，氟化镧（LaF3）27.3份。
对45钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14S、水淬，然后在590℃×5h条件下进行B-Cr-Re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：
1.对工件进行渗前表面淬火处理
表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14S、水淬。
2.催渗剂配制
按照上述比例进行配制。
3.共渗剂配制
按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：
a.将氯化镧、氧化镧、氟化镧、氯化铈等化合物，按照上述比例进行配制，并不断进行搅拌；
b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各催渗剂组分进行充分搅拌；
c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；
d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；
e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。
4.装箱
将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。
5.B-Cr-Re共渗
装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至590℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。
如图4所示，45钢经590℃×5h的B-Cr-Re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、齿状形貌、较为均匀、厚度为25µm-34µm，共渗层质量好。

Claims (5)

1.一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.2-11.1份，氯化铈（CeCl3）28.8-31.4份，氧化镧（La2O3）34.0-37.6份，氟化镧（LaF3）18.8-27.3份。
2.一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.2份，氯化铈（CeCl3）28.8份，氧化镧（La2O3）34.0份，氟化镧（LaF3）18.8份。
3.一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）9.3份，氯化铈（CeCl3）30.1份，氧化镧（La2O3）35.0份，氟化镧（LaF3）25.6份。
4.一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）8.9份，氯化铈（CeCl3）29.8份，氧化镧（La2O3）36.8份，氟化镧（LaF3）24.5份。
5.一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re催渗剂，其组分按质量比含量为：氯化镧（LaCl3）11.1份，氯化铈（CeCl3）31.4份，氧化镧（La2O3）37.6份，氟化镧（LaF3）27.3份。
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