CN111172493A - 一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化学热处理技术领域，具体涉及一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法；步骤为：首先对马氏体不锈钢试样进行清洗、打磨抛光处理；然后将渗硼剂和渗碳剂混合后，采用球磨机进行球磨搅拌；得到硼碳混合渗剂；在容器底部铺上硼碳混合渗剂，放入马氏体不锈钢试样，再加入硼碳混合渗剂进行包裹；对容器密封后进行加热，保温后，再经冷却得到硼碳复合渗试样；在试样表面涂覆高温抗氧化涂料，经加热、冷却、低温回火后得到硼碳复合渗的马氏体不锈钢试样；本发明可以有效弥补硼化层和基体之间硬度梯度变化过大的缺点；采用公式化计算方式，获得最佳的加热温度和保温时间；在节约时间的同时，提高材料的整体的性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于化学热处理技术领域，具体涉及一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法。
背景技术
当今社会畜牧业随着经济的飞速发展迅速崛起，这同时宣告对生产饲料的机器有大量需求。目前，饲料机器中核心零部件之一的饲料模具在使用过程中常因为不耐磨而早期失效。维修更换饲料模具会浪费大量的人力财力，而且因维修而停产带来的间接损失也十分可观。因此，开发一种提高饲料模具使用寿命的工艺具有重要的工程应用意义。
模具的生产要求高而且其服役环境差，因此在现代工业中模具的发展水平早已成为衡量一个国家制造业发展水平的重要指标之一。饲料机械中的核心零部件是饲料模具的压轮。内壁的压轮在使用过程中会向相反的方向进行快速转动将饲料压出模具。在将饲料压实挤出的过程中压轮同样受到相反的压力使压轮在服役过程中发生断裂、内孔壁剥落和封口等失效现象，大大降低饲料模具的服役寿命。所以这就需要饲料模具的表面具有超高的硬度和良好的耐磨性，而且芯部具有良好的塑性。
而饲料模具的压轮通常是采用马氏体不锈钢材料，马氏体不锈钢可以实现淬火强化，所以是目前不锈钢中普遍应用的一类不锈钢，由于其表面硬度及耐磨性不够，通常还采用表面处理方式提高表面硬度等指标；如文献公开了关于马氏体不锈钢的渗碳处理，将马氏体不锈钢制品置于真空炉，在乙炔气氛中高温进行真空脉冲渗碳。然后再用渗后热处理的方法细化晶粒，减轻或消除部份网状碳化物，使碳化物级别合格，其对设备要求较高，且采用真空脉冲和乙炔，生产成本较高。目前还未有采用固体硼碳共渗的方法，提高马氏体不锈钢表面的耐磨性的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，提供一种马氏体不锈钢固体硼碳共渗方法，采用固体硼碳渗剂，并结合加热公式和保温时间公式，计算出最佳的工艺参数，既可以得到合适的渗层深度又可以获得比单一渗碳更高的表面硬度和耐磨性，此外在一定程度上达到节约能源的效果。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其包括如下步骤：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：取马氏体不锈钢进行清洗、清洗后对其表面进行打磨抛光处理，得到预处理后的马氏体不锈钢试样；
(2)配制渗剂：取渗硼剂和渗碳剂按照一定的质量比例混合后，采用球磨机进行球磨搅拌；得到硼碳混合渗剂；
(3)首先在容器底部铺上硼碳混合渗剂，然后放入步骤(1)中放置预处理后的试样，再加入硼碳混合渗剂，将预处理后的马氏体不锈钢试样包裹在硼碳混合渗剂内，然后对容器进行密封，密封后，进行加热，保温一段时间后，冷却至室温，再取出密闭容器内的产物，即为硼碳复合渗试样；
(4)热处理：在步骤(3)得到的硼碳复合渗试样表面多次涂覆硅酸盐高温抗氧化涂料，根据公式分别计算加热温度和保温时间，加热保温后放入油中进行冷却，快速冷却，最后进行低温回火，维持一定时间后得到固体硼碳复合渗的马氏体不锈钢试样。
进一步地，所述马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢，尺寸为10mm×10mm×8mm。
进一步地，步骤(2)中所述渗碳剂由碳酸钡、碳酸钙和木炭组成；其混合时的质量比为6～8:1～2:1～2。
进一步地，步骤(2)中所述渗硼剂由碳化硼(B4C)、氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)和稀土组成，其混合时的质量比为10:10:75～80：1～2。
进一步地，所述渗碳剂与渗硼剂的质量为4:6。
进一步地，所述球磨搅拌采用304不锈钢球，球磨时间为6～8h。
进一步地，步骤(3)所用的密封是先将容器用盖子盖住，并在盖子连接处的空隙用耐火泥进行填充。
所述预处理后的马氏体不锈钢试样包裹在硼碳混合渗剂内是指包裹在渗硼剂内的中心位置。
进一步地，步骤(3)中所述加热温度为880-980℃，保温一段时间为4-8h。
进一步地，所述步骤(4)中加热温度的计算公式为：X＝Ae-a/T，其中X为共渗层的深度(mm)；A和a为实验常数；e为自然对数底2.718；T为绝对温度(K)；所述加热温度为920～1020℃。
进一步地，所述步骤(4)中保温时间的计算公式为：
式中δ代表共渗层深度(mm)；t代表保温时间(h)；T代表加热温度(K)；所述保温时间0.5～1h。
进一步地，步骤(4)所述多次涂覆硅酸盐高温抗氧化涂料的次数为3～5次；所述放入油中进行冷却，具体是放入20号机油中进行冷却。
进一步地，步骤(4)中所述低温回火的温度为200℃，维持一定时间为60～80min。
本发明所制备的固体硼碳复合渗的马氏体不锈钢试样可应用于制备饲料模具压轮，提高耐磨性。
本发明的优点和技术效果是：
(1)本发明并不是简单的将硼碳进行结合，这2种物质虽然是本领域熟知的材料，但其结合并不是常规操作，而且现有文献中未有报道；本发明经过大量的创造性实验探索后，才研究出本发明的方案，采用硼碳共渗工艺，对马氏体不锈钢材料的表面进行改性，大大提高了其使用寿命。
(2)本发明采用固体渗剂，原料来源广泛，且不需要设备投入，降低了生产成本。
(3)本发明采用公式化计算方式，获得最佳的加热温度和保温时间；在节约时间的同时得到耐磨性提升的材料。
(4)本发明在硼碳复合渗后需对试样进行淬火加低温回火处理提高零件性能，消除了晶粒粗大的组织，硼碳共渗后需对试样进行淬火加低温回火处理，提高了零件的性能和使用寿命。
附图说明
图1为本发明采用的装置示意图；其中，1-容器，2-马氏体不锈钢试样，3-渗剂，4-盖子。
图2为本发明的硼碳渗层SEM图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其包括如下步骤：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢，尺寸为10mm×10mm×8mm；先用洗洁精去除线切割后试样表面残留大量的油污，然后用金相砂纸对试样每个面进行打磨抛光去除氧化皮；
(2)配制渗剂：采用球磨机对渗硼剂和渗碳剂按照4:6质量比例进行混合，得到混合渗剂；所述渗碳剂由碳酸钡、碳酸钙和木炭按照质量比8:1:1混合组成，渗硼剂由B4C、KBF4、SiC和稀土按照质量比为10:10:78：2混合组成；
(3)试样封装：在坩埚底部先铺20mm-30mm左右厚度的渗剂，然后将放置预处理后的试样，最后将剩余渗剂加入，使得试样被包裹在坩埚内渗剂的中心部分；所用的坩埚为陶瓷坩埚，试样摆放在坩埚的中心位置，避免与坩埚壁接触，渗剂填充完成后，在坩埚和盖子连接处的空隙用耐火泥密封；密封后的坩埚放入至电阻加热炉中进行加热950℃，保温6h，在炉内冷却后将坩埚取出，冷却至室温获得硼碳共渗试样，加热温度的计算公式为：X＝Ae-a/T，其中X为渗层的深度(mm)；A和a为实验常数；e为自然对数底2.718；T为绝对温度(K)，保温时间的计算公式为：
式中δ代表渗层深度(mm)；t代表保温时间(h)；T代表加热温度(K)；
(4)热处理：先在试样表面涂覆抗氧化涂料，试样表面均用抗氧化涂料均匀涂抹3层，然后加热后油淬，最后进行低温回火，得到固体渗碳的马氏体不锈钢试样；其中热处理的工艺参数为：淬火加热的温度为970℃，保温时间为30min，冷却介质为20号机油；回火的温度为200℃，保温的时间为60min。
实施例2：
一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其包括如下步骤：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢，尺寸为10mm×10mm×8mm；先用洗洁精去除线切割后试样表面残留大量的油污，然后用金相砂纸对试样每个面进行打磨抛光去除氧化皮；
(2)配制渗剂：采用球磨机对渗硼剂和渗碳剂按照4:6质量比例进行混合，得到混合渗剂；所述渗碳剂由碳酸钡、碳酸钙和木炭按照质量比6:1:2混合组成，渗硼剂由B4C、KBF4、SiC和稀土按照质量比为10:10:78：2混合组成；
(3)试样封装：在坩埚底部先铺20mm-30mm左右厚度的渗剂，然后将放置预处理后的试样，最后将剩余渗剂加入，使得试样被包裹在坩埚内渗剂的中心部分；所用的坩埚为陶瓷坩埚，试样摆放在坩埚的中心位置，避免与坩埚壁接触，渗剂填充完成后，在坩埚和盖子连接处的空隙用耐火泥密封；密封后的坩埚放入至电阻加热炉中进行加热880℃，保温8h，在炉内冷却后将坩埚取出，冷却至室温获得硼碳共渗试样，加热温度的计算公式为：X＝Ae-a/T，其中X为渗层的深度(mm)；A和a为实验常数；e为自然对数底2.718；T为绝对温度(K)，保温时间的计算公式为：
式中δ代表渗层深度(mm)；t代表保温时间(h)；T代表加热温度(K)；
(4)热处理：先在试样表面涂覆抗氧化涂料，试样表面均用抗氧化涂料均匀涂抹3层，然后加热后油淬，最后进行低温回火，得到固体渗碳的马氏体不锈钢试样；其中热处理的工艺参数为：淬火加热的温度为920℃，保温时间为60min，冷却介质为20号机油；回火的温度为200℃，保温的时间为70min。
实施例3：
一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其包括如下步骤：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢，尺寸为10mm×10mm×8mm；先用洗洁精去除线切割后试样表面残留大量的油污，然后用金相砂纸对试样每个面进行打磨抛光去除氧化皮；
(2)配制渗剂：采用球磨机对渗硼剂和渗碳剂按照4:6质量比例进行混合，得到混合渗剂；所述渗碳剂由碳酸钡、碳酸钙和木炭按照质量比7:2:1混合组成，渗硼剂由B4C、KBF4、SiC和稀土按照质量比为10:10:78：2混合组成；
(3)试样封装：在坩埚底部先铺20mm-30mm左右厚度的渗剂，然后将放置预处理后的试样，最后将剩余渗剂加入，使得试样被包裹在坩埚内渗剂的中心部分；所用的坩埚为陶瓷坩埚，试样摆放在坩埚的中心位置，避免与坩埚壁接触，渗剂填充完成后，在坩埚和盖子连接处的空隙用耐火泥密封；密封后的坩埚放入至电阻加热炉中进行加热980℃，保温4h，在炉内冷却后将坩埚取出，冷却至室温获得硼碳共渗试样，加热温度的计算公式为：X＝Ae-a/T，其中X为渗层的深度(mm)；A和a为实验常数；e为自然对数底2.718；T为绝对温度(K)，保温时间的计算公式为：
式中δ代表渗层深度(mm)；t代表保温时间(h)；T代表加热温度(K)；
(4)热处理：先在试样表面涂覆抗氧化涂料，试样表面均用抗氧化涂料均匀涂抹3层，然后加热后油淬，最后进行低温回火，得到固体渗碳的马氏体不锈钢试样；其中热处理的工艺参数为：淬火加热的温度为1020℃，保温时间为30min，冷却介质为20号机油；回火的温度为200℃，保温的时间为80min。
对比例1：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢，尺寸为10mm×10mm×8mm；先用洗洁精去除线切割后试样表面残留大量的油污，然后用金相砂纸对试样每个面进行打磨抛光去除氧化皮；
(2)配制渗剂：采用球磨机对渗硼剂进行球磨，渗硼剂的成分为硼铁、氟硼酸钾、碳化硅和木炭；
(3)试样封装：在坩埚底部先铺20mm-30mm左右厚度的渗剂，然后将放置预处理后的试样，最后将剩余渗剂加入，使得试样被包裹在坩埚内渗剂的中心部分；所用的坩埚为陶瓷坩埚，试样摆放在坩埚的中心位置，避免与坩埚壁接触，渗剂填充完成后，在坩埚和盖子连接处的空隙用耐火泥密封
(4)渗硼：将步骤(3)装有封装好试样的坩埚放入至电阻加热炉中进行加热950℃，保温6h，在炉内冷却后将坩埚取出，冷却至室温获得渗硼试样；
(5)热处理：先将试样涂覆抗氧化涂料，加热后油淬，最后进行低温回火，得到固体渗碳的马氏体不锈钢试样。热处理的工艺参数为：淬火加热温度为970℃，保温时间为30min，冷却介质为20号机油；回火温度为200℃，保温时间60min，试样表面均用抗氧化涂料均匀涂抹三层。
对比例2：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢，尺寸为10mm×10mm×8mm；先用洗洁精去除线切割后试样表面残留大量的油污，然后用金相砂纸对试样每个面进行打磨抛光去除氧化皮；
(2)配制渗剂：采用球磨机对渗碳剂进行球磨，渗碳剂的成分为碳酸钡、碳酸钙和木炭；
(3)试样封装：在坩埚底部先铺20mm-30mm左右厚度的渗剂，然后将放置预处理后的试样，最后将剩余渗剂加入，使得试样被包裹在坩埚内渗剂的中心部分；所用的坩埚为陶瓷坩埚，试样摆放在坩埚的中心位置，避免与坩埚壁接触，渗剂填充完成后，在坩埚和盖子连接处的空隙用耐火泥密封
(4)渗碳：将步骤(3)装有封装好试样的坩埚放入至电阻加热炉中进行加热950℃，保温6h，在炉内冷却后将坩埚取出，冷却至室温获得渗碳试样；
(5)热处理：先将试样涂覆抗氧化涂料，加热后油淬，最后进行低温回火，得到固体渗碳的马氏体不锈钢试样。热处理的工艺参数为：淬火加热温度为970℃，保温时间均为30min，冷却介质为20和机油；回火温度为200℃，保温时间60min，试样表面均用抗氧化涂料均匀涂抹三层。
以实施例1、对比例2、对比例3制备的产品进行磨损失重测试，结果如下
表1：磨损失重的结果
从上表可以看出渗碳、渗硼及硼碳共渗后的试样相对于12Cr13钢基体(淬火加低温回火)来说，耐磨性均有了很大的提升，但渗碳、渗硼及硼碳共渗三者比较，硼碳共渗试样的耐磨性也明显优于前两者。同时，从图2可以看出共渗层的分布基本一致均是表面为白亮色的硼化物层、次表面为共渗层的过渡层、最后是基体组织。
本发明所制备的固体硼碳复合渗的马氏体不锈钢试样可应用于制备饲料模具压轮。饲料模具的压轮在使用过程中会向相反的方向进行快速转动将饲料压出模具，在将饲料压实挤出的过程中压轮同样受到相反的压力使压轮在服役过程中发生断裂、内孔壁剥落和封口等失效现象，采用本发明的固体硼碳复合渗方法，能大大提高其使用寿命，在实际生产中已经得到较好的应用。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)马氏体不锈钢试样预处理：取马氏体不锈钢进行清洗，晾干后对其表面进行打磨抛光处理，得到预处理后的马氏体不锈钢试样；
(2)取渗硼剂和渗碳剂按照一定的质量比例混合后，采用球磨机进行球磨搅拌；得到硼碳混合渗剂；所述渗硼剂由B4C、KBF4、SiC和稀土组成；所述渗碳剂由碳酸钡、碳酸钙和木炭组成；
(3)首先在容器底部铺上硼碳混合渗剂，然后放入步骤(1)中放置预处理后的试样，再加入硼碳混合渗剂，将预处理后的马氏体不锈钢试样包裹在硼碳混合渗剂内，然后对容器进行密封，密封后，进行加热，保温一段时间后，冷却至室温，再取出密闭容器内的产物，即为硼碳复合渗试样；
(4)在步骤(3)得到的硼碳复合渗试样表面多次涂覆硅酸盐高温抗氧化涂料，根据公式分别计算加热温度和保温时间，加热保温后放入油中进行冷却，快速冷却，最后进行低温回火，维持一定时间后得到固体硼碳复合渗的马氏体不锈钢试样。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，步骤(1)中所述马氏体不锈钢具体为12Cr13马氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，步骤(2)中所述碳酸钡、碳酸钙和木炭的质量比为6～8:1～2:1～2；所述B4C、KBF4、SiC和稀土的质量比为10:10:75～80：1～2。
4.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，所述渗碳剂与渗硼剂的质量为4:6；所述球磨搅拌采用304不锈钢球，球磨时间为6～8h。
5.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，步骤(3)所用的密封是先将容器用盖子盖住，并在盖子与容器连接处的空隙用耐火泥进行填充；所述预处理后的马氏体不锈钢试样包裹在硼碳混合渗剂内是指包裹在渗硼剂内的中心位置。
6.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，步骤(3)中所述加热温度为880～980℃，保温一段时间为4～8h。
7.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，所述步骤(4)中加热温度的计算公式为：X＝Ae-a/T，其中X为共渗层的深度，mm；A和a为实验常数；e为自然对数底2.718；T为绝对温度，K；所述加热温度为920～1020℃。
8.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，所述步骤(4)中保温时间的计算公式为：
式中δ代表共渗层深度，mm；t代表保温时间，h；T代表加热温度，K；所述保温时间为0.5～1h。
9.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，步骤(4)所述多次涂覆硅酸盐高温抗氧化涂料的次数为3～5次；所述放入油中进行冷却，具体是放入20号机油中进行冷却。
10.根据权利要求1所述的一种用于提高马氏体不锈钢耐磨性能的硼碳共渗方法，其特征在于，步骤(4)所述低温回火的温度为200℃，维持一定时间为60～80min。
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