CN109267002A

CN109267002A - 钢的一种新型高效促渗硼技术

Info

Publication number: CN109267002A
Application number: CN201811373457.1A
Authority: CN
Inventors: 谢飞; 程伟
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2019-01-25

Abstract

本发明为一种采用低品位硼铁在钢表面快速高效渗入硼的技术。通过在低含硼量的粉末渗硼剂中加入0.1～6％铬粉，并通过在渗箱中设置一对平行电极对渗剂和渗扩件在渗扩保温过程中施加电场电流为0.5～8A、电场电压为5～200V的交流电场，可以提高渗扩速度，渗层外侧为硼化物层，内侧为铬的固溶区。与传统的单一渗硼相比，能够采用低品位硼铁作为供硼剂，供硼剂的利用率提高，渗扩温度亦可降低50～200℃，钢的渗硼速度可提高1～3倍不等，显著降低生产成本；同时此种渗层可克服常规单一渗硼层脆性较高和抗高温氧化性较差等弊端，耐蚀性也能得到大幅度的提高，其在大气、海水、磷酸等环境下的耐蚀性优良。

Description

钢的一种新型高效促渗硼技术

技术领域：

本发明属于对金属工件进行表面改性的技术，特指一种采用低品位硼铁作为供硼剂，成本低廉、方法简便的可以快速在零件表面制备性能优异的渗硼层的化学热处理方法。

背景技术：

粉末法渗硼通过渗剂的加热、分解、吸附、扩散等步骤将硼元素渗入钢铁材料零件的表层，形成具有很高硬度与耐磨性的渗硼层，从而能够提高许多在摩擦、磨损及一定程度下的高温氧化环境下使用的钢铁零部件的使用寿命。

影响常规粉末法渗硼速度的因素主要是供硼剂中硼含量及其在渗剂中的用量、活化(催渗)剂性能、渗硼温度和时间等。在常规粉末法渗硼中，为了获得足够的渗层厚度，往往采用高品位硼铁、提高热处理温度、延长保温时间，所以传统的粉末法化学渗扩具有渗剂成本高、能耗大、周期长等缺点。为克服这些缺点，多年来，国内外许多研究者在提高粉末法渗硼效率、降低成本方面进行了大量的探索研究。常见的催渗方法有稀土催渗、物理场催渗、机械能催渗等，这些方法可以不同程度的提高渗扩的效果，但离工程实际对低成本、低消耗、高效率、高性能的目标仍存在很大差距，需要研究人员不断努力改进提高。

欲使工件达到满意的渗硼效果，现行的粉末法渗硼的处理工艺一般为在(900～1000)℃的高温下处理5～8h，而且由于渗剂需用高品位硼铁、渗剂用量较大且利用率较低，造成不少浪费，这些问题都亟待解决。所以，如何尽快地开发出一种能够利用低品位硼铁实现快速渗硼、改善渗层综合质量，且高效经济的一项的渗硼技术就显得非常重要。

发明内容：

本发明技术通过下列技术方案来实现：

快速渗硼剂由供硼剂(0.5～20％的低品位硼铁)、活化剂1(0.2～7％NH₄Cl)、活化剂2(0.5～9％KBF₄)、催渗剂(0.1～6％铬粉)、防烧结剂(1～8％木炭粉)及填充剂(碳化硅，余量)等构成。在密封渗箱中设置一对平行电极，通过平行电极对渗剂和被渗工件施加交流电场，渗扩加热温度范围为600～900℃，电场电流范围为0.5～8A，保温时间2～6小时；保温结束后，炉冷渗箱至室温，取出工件，完成渗扩处理。

本发明的主要优点是以低品位的硼铁(硼含量低于15％)代替原来价格较为昂贵的高品位硼铁作为供硼源，配以新开发的催渗剂(0.1～6％铬粉)并与活化剂1(0.2～7％NH₄Cl)和活化剂2(0.5～9％KBF₄)综合使用，同时利用交流电场进一步促渗，从而显著降低渗扩温度、降低了生产成本、有效提高渗剂利用率。本发明在渗硼剂中创造性地加入了微量的铬作为助渗剂并与施加交流电场结合，来大幅提高以低品位的硼铁作为供硼源时的渗层厚度，同时由于铬的渗入，进一步提高工件表面性能。

由于微量铬元素的渗入使基体金属的晶格发生畸变，导致晶体中空位和位错缺陷数量增多，为硼原子扩散提供了更多的通道，降低硼原子的扩散激活能，提高硼原子的扩散系数，其结果提高了硼原子向基体中的扩散速度。交流电场的加热作用和电磁搅拌作用促进渗剂的分解与渗剂间的化学反应，大幅度增加活性硼原子的浓度与活性，克服了常规粉末法渗硼单纯依赖电热炉加热分解产生活性B原子而造成的一系列不足，促进含需渗入元素的活性基团向渗扩件的扩散、以及渗入元素在渗扩件内部的扩散，从而可以降低处理温度，提高渗剂的利用率，加快渗速。

相较于采用传统粉末法渗硼获得的效果而言，采用本发明技术获得的渗硼层具有以下特点：

(1)渗硼层厚度明显加深(2)渗层表面无明显疏松、夹杂等缺陷，渗层组织更加致密(3)渗硼层呈现单一的Fe₂B相，无FeB相，降低了渗硼层的脆性(4)提高了原来单一渗硼层在较高温度下的抗氧化性(5)由于渗层组织致密，表面疏松少，减少了渗硼层表层的疲劳裂纹源，提高了渗硼层的耐疲劳磨损性能(6)由表至里，渗硼层表面到基体的硬度梯度变缓，提高了基体对硼化物层的支撑能力。

具体实施方式：

实施例1：

被渗材料：45钢；渗剂组成：供硼剂(低品位硼铁，4％)、活化剂1(NH4Cl，3％)、活化剂2(KBF4，5％)、催渗剂(铬粉，0.1％)、防烧结剂(木炭粉，7％)及填充剂(碳化硅，80.9％)

渗硼处理：将样品置于渗箱中两个平行的板状电极之间，两电极分别由耐热导线联接在一个电压在0～200伏范围连续可调的50Hz交流电源上，电极、样品与如上渗剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中从室温升至700℃，在两极间施加电流为2A的交流电流，保温4小时，炉冷至室温，取出样品。

处理结果：渗层为双层组织，样品最表层为～60μm的硼化物渗层，次表层为厚度约为100μm铬固溶区。表层硬度达HV1800以上，由表至里，渗层中硬度在HV500以上部分(含固溶区在内)达100μm。而采用传统粉末法处理后的样品渗层仅有～30μm，且并无明显的固溶区存在。经XRD测试分析后发现采用此种新型高效促渗硼技术获得的渗层主要为Fe2B和(Fe,Cr)2B相以及铬在钢中的固溶体，同时渗层的脆性较单一渗硼亦大幅下降。

实施例2：

被渗材料：20钢；渗剂组成：供硼剂(低品位硼铁，5％)、活化剂1(NH₄Cl，4％)、活化剂2(KBF₄，5％)、催渗剂(铬粉，0.05％)、防烧结剂(木炭粉，7％)及填充剂(％碳化硅，78.95)。

渗硼处理：将样品置于渗箱中两个平行的板状电极之间，两电极分别由抗高温导线联接在一个电压在0～250伏范围连续可调的50Hz交流电源上，电极和样品与如上渗剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中从室温升至750℃，在两极间施加电流为5A的交流电流，保温4小时，炉冷至室温，取出样品。

处理结果：渗层为双层组织，样品最表层获得110μm的渗硼层，另外次表层还存在厚度约为120μm渗铬固溶区，表层硬度达HV1900以上，由表至里，渗层中硬度在HV400以上部分深达180μm。经XRD进行逐层测试分析后发现外层主要为Fe₂B，里层主要为含Cr的α固溶体。而采用传统粉末法处理后的样品渗层仅有50μm。在750℃×100h的氧化条件下，采用这种新技术技术处理后的试样的单位面积氧化增重量是传统粉末法处理后试样的1/5。

实验例3：

被渗材料：45钢；渗剂组成：供硼剂(低品位硼铁，18％)、活化剂1(NH₄Cl，4％)、活化剂2(KBF₄，5％)、催渗剂(铬粉，0.5％)、防烧结剂(木炭粉，5％)及填充剂(碳化硅，67.5％)。

渗硼处理：将样品置于渗箱中两个平行的板状电极之间，两电极分别由导线联接在一个电压在0～250伏范围连续可调的50Hz交流电源上，电极和样品与如上渗剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中从室温升至800℃，在两极间施加电流为2A的交流电流，保温4小时，炉冷至室温，取出样品。

处理结果：渗层为双层组织，样品最表层获得～90μm的渗硼层，次表层为厚度～110μm渗铬固溶区，表层硬度达HV1800以上。由表至里，渗层中硬度在HV400以上部分(含固溶区在内)深达～150μm。

Claims

1.一种对钢进行节能、高效、快速渗硼的技术，其特征是：将工件与快速渗剂密封于渗罐中，在600～900℃加热保温，通过在渗罐内设置一对平行电极对共渗剂和工件施加交流电场，利用低品位硼铁作为供硼剂，对钢进行交流电场增强粉末法渗硼，施加的电流为0.5～8A，电场电压为5～200V，保温2～6小时，快速获得性能优良的渗硼层。

2.实现权利要求1所述的一种快速渗硼剂，由供硼剂、活化剂1(0.2～7％NH₄Cl)、活化剂2(0.5～9％KBF₄)、催渗剂、防烧结剂(1～8％木炭粉)及填充剂(碳化硅，余量)等构成。

3.实现权利要求2所述的快速渗硼剂中的催渗剂为铬粉，含量为0.1～6％，铬粉中铬含量为90％以上，粒度为200～800目。

4.实现权利要求2所述的快速渗硼剂中的供硼剂为硼含量低于15％的硼铁，供硼剂在渗硼剂中的含量为0.5～20％，粒度为100～600目。