CN1699617A - 低碳钢表面低温渗硼工艺方法 - Google Patents

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CN1699617A CN 200510027282 CN200510027282A CN1699617A CN 1699617 A CN1699617 A CN 1699617A CN 200510027282 CN200510027282 CN 200510027282 CN 200510027282 A CN200510027282 A CN 200510027282A CN 1699617 A CN1699617 A CN 1699617A
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吴晓春
徐凌云
汪宏斌
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Abstract

本发明涉及一种低碳钢表面低温渗硼工艺方法，属金属表面热处理加工技术领域。本发明的特点是先对钢表面进行纳米化，随后进行等离子低温渗硼。本发明工艺方法具有以下工艺步骤：(1)首先在渗硼之前采用表面机械研磨法对低碳钢表面进行纳米化处理；(2)将纳米化后的低碳钢试样放于等离子热处理炉内，抽真空，使炉内真空度达40Pa；然后打开电源输入电压电流以产生电极间离子辉光进行加热；与此同时通入B(OCH3) 3渗硼剂，并且通入Ar与H2的混合气体；工作电压为800～1200V；送入混合气体的气压为400～1000Pa；等离子渗硼热处理温度为500～650℃，在此温度下保温4～8小时，随炉冷却至室温，最后可得表面渗硼的低碳钢。其渗层主要为Fe2B晶相，硬度为HV1700～2100。

Description

低碳钢表面低温渗硼工艺方法
技术领域
本发明涉及一种低碳钢表面低温渗硼工艺方法，属金属表面热处理加工技术领域。
背景技术
金属表面处理工程是指金属通过表面涂覆、表面改性或多种技术复合处理后，改变金属材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等的工艺措施，以获得所需要的表面性能。
将纳米材料、纳米技术应用到表面工程中，使表面工程发展进入了新阶段。2000年有学者提出“纳米表面工程”概念。指出“纳米表面工程”就是充分利用纳米材料和纳米技术提升改善传统表面工程，通过特定的加工技术或手段，改变固体材料表面的形态、成分、结构等，从而赋予表面全部功能的系统工程。2002年国际表面工程学科创始人伯明翰大学T.Bell教授访华时对纳米表面工程的提法给予了充分肯定，并确定要与中国联合开展纳米表面工程研究。实现纳米表面工程的关键是使材料得到具有纳米特性的表面层。目前，实现的方法主要有三种：表面气相沉积法、表面自身纳米化和表面纳米涂覆法。
渗硼是把硼元素渗入到金属材料表面，得到硼化物渗层的扩散过程。渗硼层具有很高的硬度、优良的耐磨性及良好的耐蚀性。近年来，人们对渗硼工艺及渗硼机理进行了大量的研究。但渗硼工艺还存在某些不足之处，如硼化物本身脆性大、易剥落，传统的渗硼工艺要求温度较高、能耗大，渗硼后工件变形较大等问题。为了克服这些不足之点，人们曾作出了一些努力，并取得了一些成就。如人们采取渗硼后进行真空扩散而获得单相Fe2B；渗硼的共晶化处理及共渗与复合渗工艺等来降低渗硼层脆性。与此同时，为了解决渗硼温度高、渗后工件变形大等问题，低温渗硼开始为人们所关注。所谓低温渗硼，实际上就是指在钢临界点(A1)以下温度的渗硼。目前采用的降低渗硼温度的方法主要有：在固体渗硼中加入一定的活化剂，如稀土元素；或者用等离子渗硼取代固体渗硼。
发明内容
本发明的目的是克服上述传统渗硼工艺带来的一些缺陷，采用金属表面纳米化技术与等离子渗硼技术很好地结合在一起来实现低温渗硼。
本发明一种低碳钢表面低温渗硼工艺方法，其特征在于具有以下工艺过程和步骤：
a.首先在渗硼之前采用表面机械研磨法，对低碳钢表面进行纳米化处理；
b.将纳米化后的低碳钢试样放于丙酮中进行超声波清洗，随后将试样放入等离子热处理炉内；抽真空，使炉内真空度达40Pa；然后打开电源，输入电压电流以产生电极间离子辉光进行加热；与此同时通入B(OCH3)3渗硼剂，并且通入Ar与H2的混合气体；Ar的流量为2500～3000ml/min，H2的流量为500～600ml/min；B(OCH3)3的流量为0.02～0.03ml/min；输入的工作电压控制在800～1200V范围；送入混合气体后炉内气压控制在400～1000Pa范围；等离子渗硼热处理温度为500～650℃，在此温度下保温4～8小时后，随炉冷却至室温，最后取出表面渗硼的低碳钢试样。
对低碳钢表面进行纳米化处理的机械研磨法是采用带有冷却水循环装置的金属材料表面纳米化试验机，机内装有纳米喷丸用的小钢球，小钢球的直径为8mm，共200个，由电动机带动试验机高速转动，使纳米化喷丸小钢球对金属表面自身实施纳米化处理，处理时间为1小时。
本发明的特点是对低碳钢表面先进行纳米化处理，随后进行等离子渗硼。
本发明的机理叙述如下：
已有学者研究证明，当金属表面达到纳米级结构时，也即当表面晶粒细化后，表面具有大量的晶界，它们可作为原子快速扩散通道，加快表面物质的化学反应速度，可在较低温度下增加反应动力。
试验表明，在上述条件下，等离子渗硼的温度可降低至500～650℃，而传统的渗硼温度要达到800～900℃，明显地降低了250～300℃的温度范围。
本发明的优点是℃采用了金属表面纳米化结合等离子渗硼的新技术，与传统的渗硼工艺相比，它可降低渗硼温度，提高渗硼效率，减少了能耗；在一定程度上克服了渗硼后变形较大的问题；另外，纳米化低温渗硼后材料的各种性能不低于传统高温渗硼工艺。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
本实施例的低温渗硼工艺步骤如下：
1.首先在渗硼之前，采用表面研磨机对低碳钢试样表面进行纳米化处理。
本实施例中采用了现有的SNC-1金属表面纳米化试验机，该机附带有冷却水循环装置，机内设有一容器，在容器盖上其背面固定有一块准备作纳米化处理的低碳钢试样；容器内装有纳米化喷丸用的小钢球，小钢球的直径为8mm，共有200个；将容器盖关闭密封，并抽真空；然后启动电动机，带动试验机高速转动，并通过振动发生器使纳米化喷丸小钢球剧烈运动对金属表面自身实施纳米化处理，处理时间为1小时。
2.将上述纳米化处理后的低碳钢试样放于丙酮中进行超声波清洗，随后将试样放入现有的LD-3000-8型等离子热处理炉内；抽真空，使炉内真空达40Pa，然后打开电源，输入电压电流以产生电极间离子辉光进行加热；与此问时通入B(OCH3)3渗硼剂，并且通入Ar与H2的混合气体；Ar的流量为2800ml/min，H2的流量为550ml/min；B(OCH3)3的流量为0.03ml/min；输入的工作电压为950V，送入混合气体后炉内气压为900Pa；等离子渗硼热处理温度为600℃，在此温度下保温6小时后，随炉冷却至室温，最后取出表面渗硼的低碳钢试样。
经检测，工艺步骤第一步中所得的试样其纳米层的厚度为30～35微米，该层中晶粒的尺寸为10～100纳米，同时表面层发生了马氏体相变，而位错密度也大大提高。
经检测，经等离子低温渗硼处理后的低碳钢试样，其表面渗硼层厚度为50～100纳米，主要晶相结构为Fe2B，该渗层组织致密、孔洞少，其表面显微硬度为HV1700～2100。

Claims (2)

1.一种低碳钢表面低温渗硼工艺方法，其特征在于具有以下工艺过程和步骤：
a.首先在渗硼之前采用表面机械研磨法，对低碳钢表面进行纳米化处理；
b.将纳米化后的低碳钢试样放于丙酮中进行超声波清洗，随后将试样放入等离子热处理炉内；抽真空，使炉内真空度达40Pa；然后打开电源，输入电压电流以产生电极间离子辉光进行加热；与此同时通入B(OCH3)3渗硼剂，并且通入Ar与H2的混合气体；Ar的流量为2500～3000ml/min，H2的流量为500～600ml/min；B(OCH3)3的流量为0.02～0.03ml/min；输入的工作电压控制在800～1200V范围；送入混合气体后炉内气压控制在400～1000Pa范围；等离子渗硼热处理温度为500～650℃，在此温度下保温4～8小时后，随炉冷却至室温，最后取出表面渗硼的低碳钢试样。
2.如权利要求1所述的一种低碳钢表面低温渗硼工艺方法，其特征在于所述的对低碳钢表面进行纳米化处理的机械研磨法是采用带有冷却水循环装置的金属材料表面纳米化试验机，机内装有纳米化喷丸用的小钢球，小钢球的直径为8mm，共200个，由电动机带动试验机高速转动，使纳米化喷丸小钢球对金属表面自身实施纳米化处理，处理时间为1小时。
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