CN117721408A - 固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，将不锈钢球粒和渗硼剂置于箱式炉内，不锈钢球粒埋于渗硼剂中；装箱密封后于炉中进行加热并保温，于不锈钢球粒表面获得一定厚度的渗硼层；再通过喷嘴喷射不锈钢球粒撞击到待强化金属工件表面，在其表面形成强化渗涂层。该处理方法具有低温硼化层的快速形成、抑制晶粒长大、可对工件表面选区强化、能耗低、污染少等优点。
Description
技术领域
本发明属于金属工件表面处理技术领域，具体涉及一种基于固体渗硼球粒的强化渗涂层工艺。
背景技术
表面工程技术通过表面原位合成技术，在工件表面制备出性能优良的新型合金材料涂层，在制备新材料方面具有特殊的优势。近年来通过表面改性来强化金属耐蚀性、摩擦性能、耐高温等性能成为了研究焦点。固体渗硼是表面强化技术其中的一种，渗硼通过硼原子扩散到金属工件表面形成硬度高、热化学稳定性好、耐磨耐蚀的金属硼化物层，从而改善材料表面性能，提高使用寿命。目前工业上常用的方法为固体渗硼法，一般将工件埋在固体粉末中通过高温加热使得硼原子通过固-固扩散在工件表面形成渗硼层。固-固原子扩散效率较低，因此人们往往在高温下进行渗硼以提升渗硼效率。国家知识产权局公开了一种硬质合金表面渗硼处理方法(CN201010527772.2)，依次包括以下步骤：a、对待渗硼的硬质合金进行表面处理，除去表面氧化层；b、将待渗硼的硬质合金埋入固体渗硼剂中，并置于近密闭渗硼容器中，放入感应加热炉中；c、对感应加热炉抽真空，真空度达到100Pa以上，停止抽真空，充入惰性气体或氢气；当充入惰性气体时，炉内气体压力充到0.07MPa即可；当充入氢气时，气体压力应略大于0.1MPa；d、炉内气体达到上述压力后，开始感应加热，达到渗硼温度800℃-1300℃后，保温时间0.5-8小时，实现待渗硼的硬质合金表面的气-固相渗硼，然后断电冷却。国家知识产权局还公开了一种直流电场加速固体粉末渗硼的方法，(CN200410065545.7)，其特征是在由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂中放置一根据欲渗硼零件外形设计的板状电极，以该电极作为正极，以零件作为负极，两极相互平行，极间距离5-50mm，两极分别对应联接在一个电压在0-250伏特范围连续可调的专用直流电源的正、负极上，板状电极和零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为550-1000℃，当炉温到设定值后，在两极间加上0-250伏之间的电压。然而在高温渗硼的过程中，金属面临晶粒粗化而降低材料强度、热处理变形过大等性能的问题。此外渗硼层较脆与工件结合不紧密容易脱落。对于大工件、需要选区进行部分表面强化的工件以及小型或者微型零件，传统的固体渗硼工艺往往难以满足要求。
发明内容
针对现有固体渗硼工艺存在的金属渗硼效率低、金属晶粒粗化、热处理变形大、渗硼层结合差、工件适用性差的状况，本发明提出一种固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，通过在箱式炉内制备包覆渗硼层的球粒并且以合适的高速喷出在金属工件表面形成渗硼强化层，同时能够实现对工件选区表面进行快速渗硼强化的目的。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，将不锈钢球粒和渗硼剂置于箱式炉内，不锈钢球粒埋于渗硼剂中；装箱密封后于炉中进行加热并保温，于不锈钢球粒表面获得一定厚度的渗硼层；再通过喷嘴喷射不锈钢球粒撞击到待强化金属工件表面，在其表面形成强化渗涂层。
所述的渗硼剂各组分干燥后球磨混合均匀，与不锈钢球粒置于箱式炉内，箱式炉内先抽真空再通入氩气，将箱体密封后加热升至950℃-1050℃，保温2h-4h，待冷却之后取出不锈钢球粒。
所述渗硼剂是由产硼材料、活化剂、填料组成，其中产硼材料重量百分比为5％-50％，活化剂重量百分比为2％-40％,其余为填料。
所述产硼材料为B4C、BN、无定形硼中的一种或多种；所述活化剂为粉末状的KBF4、NaBF4、NH4BF4、(NH4)2CO3、稀土、Mg中的两种或多种，且其中之一为含有B元素的活化剂粉末；所述填料为石墨颗粒与SiC粉或Al2O3粉。
在常温下通过喷嘴喷射将不锈钢球粒高速喷出撞击在待强化金属工件表面，利用掩膜对不需要强化的金属工件表面进行遮挡，不锈钢球粒撞击到待强化金属工件表面后，不锈钢球粒外表层包裹的渗硼层发生脱落，嵌入到待强化金属工件表面，形成强化渗涂层。
所述的不锈钢球粒粒径大小为20-50微米，喷射速度为100-1000m/s。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
1.本发明所述的处理方法可以在常温下实现硼化层的快速形成，材料表面强化效率高；此外避免了传统渗硼工艺在高温下进行导致金属工件晶粒粗化的现象，这种室温方法实现了快速硼化层的形成和抑制晶粒长大之间的平衡。
2.本发明所述的处理方法可以利用掩膜对大工件选区表面进行渗硼强化，对需要加工表面区域具有强化针对性，加工工艺灵活性好。
3.本发明所述的处理方法避免了传统直接对工件进行长时间热处理导致变形过大的问题，可以保持工件的结构完整，且由于球粒高速撞击的夯实作用，渗硼层与金属工件结合紧密，不易剥落，不锈钢球粒撞击造成的残余压应力提升了材料的强度。
4.本发明所述的处理方法所用的固体渗硼球粒制备工艺简单，且球粒可重复利用，同时原料成本廉价，投入的能耗低，渗硼剂不含有氟化物，没有污染物的产生。
附图说明
图1为本发明固体渗硼球粒的制备工艺示意图；
图2为本发明固体渗硼球粒喷射强化金属工件表面形成渗涂层的示意图。
图中序号：1、箱式炉，2、渗硼剂，3、不锈钢球粒，4、活性硼原子，5、渗硼层，6、喷嘴，7、渗涂层，8、待强化金属工件，9、掩膜。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
一种固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其操作步骤如下：
①将渗硼剂2各组分干燥后球磨混合均匀置于箱式炉1箱体内，渗硼剂2具体为重量百分比为35％的产硼材料B4C、重量百分比为20％的活化剂KBF4和稀土、以及重量百分比为45％填料SiC，渗硼剂2在高温下发生反应，活性硼原子4通过固-固原子扩散迁移渗入到不锈钢球3表面，制成一种表面含有渗硼层5的不锈钢球粒3；反应化学式为
BF4＝BF3+KF.2BF3+B4C＝3BF2+3[B]+C.3BF2＝[B]+2BF3；稀土起催化剂作用，可以加速反应且稀土具有很强的氧结合力，避免了B元素的部分氧化；SiC主要起填料的作用。；将不锈钢球粒3埋于渗硼剂2粉末中，关闭箱门进行密封，箱式炉1内抽真空再通入氩气；
②打开箱式炉1电源，加热箱内温度至1000℃，保温三小时，关闭电源，保持箱式炉密封，待冷却至室温后取出不锈钢球粒3；
③将待强化金属工件8置于喷嘴6下，利用掩膜9对不需要强化的金属工件区域进行遮挡，在常温下将不锈钢球粒3从喷嘴喷出，不锈钢球粒3撞击到待强化金属工件8表面后，不锈钢球粒3外表层包裹的渗硼层5发生脱落，嵌入到待强化金属工件8表面，形成强化渗涂层7。
实施例只是为了便于理解本发明的技术方案，并不构成对本发明保护范围的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其特征在于:将不锈钢球粒⑶和渗硼剂⑵置于箱式炉⑴内，不锈钢球粒埋于渗硼剂⑵中；装箱密封后于炉中进行加热并保温，于不锈钢球粒⑶表面获得一定厚度的渗硼层⑸；再通过喷嘴⑹喷射不锈钢球粒⑶撞击到待强化金属工件⑻表面，在其表面形成强化渗涂层⑺。
2.根据权利要求1所述的固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其特征在于：所述渗硼剂⑵是由产硼材料、活化剂、填料组成，其中产硼材料重量百分比为5%-50%，活化剂重量百分比为2%-40%, 其余为填料。
3.根据权利要求2所述的固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其特征在于:所述的渗硼剂⑵各组分干燥后球磨混合均匀，与不锈钢球粒⑶置于箱式炉内，箱式炉内先抽真空再通入氩气，将箱体密封后加热升至950℃-1050℃，保温2h-4h。
4.根据权利要求2所述的固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其特征在于：所述产硼材料为B4C、BN、无定形硼中的一种或多种；所述活化剂为粉末状的KBF4、NaBF4、NH4BF4、(NH4)2CO3、稀土、Mg中的两种或多种，且其中之一为含有B元素的活化剂粉末；所述填料为石墨颗粒与SiC粉或Al2O3粉。
5.根据权利要求3所述的固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其特征在于:在常温下通过喷嘴喷射将不锈钢球粒⑶高速喷出撞击在待强化金属工件⑻表面，利用掩膜⑼对不需要强化的金属工件表面进行遮挡，不锈钢球粒⑶撞击到待强化金属工件⑻表面后，不锈钢球粒⑶外表层包裹的渗硼层⑸发生脱落，嵌入到待强化金属工件⑻表面，形成强化渗涂层⑺。
6.根据权利要求3所述的固体渗硼球粒强化金属工件表面的处理方法，其特征在于:所述的不锈钢球粒⑶粒径大小为20-50微米，喷射速度为100-1000m/s。
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