CN87104600A

CN87104600A - 一种粉末法钢件表面硬化处理工艺

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Publication number: CN87104600A
Application number: CN87104600.8A
Authority: CN
Inventors: 苏美瑢; 赵庆; 张玉峰; 齐树敏
Original assignee: XINAN PETROLEUM COLLEGE
Current assignee: XINAN PETROLEUM COLLEGE
Priority date: 1987-07-01
Filing date: 1987-07-01
Publication date: 1988-02-24
Also published as: CN1005853B

Abstract

本发明为一种粉末法钢件表面硬化处理工艺，它包括硼硅共渗、硼铬共渗和硼钒共渗处理，经该发明提出的共渗处理后，可使钢件表面获得渗层厚、硬度高、脆性小、耐磨性好、能承受较重载荷的表面硬化层。适用于既要求高耐磨性又要承受较重载荷的钢件的表面处理，如石油牙轮钻头滑动轴承的表面处理，也适用于刀具。模具和其他要求高耐磨性钢件的表面处理，本发明工艺简便，处理周期短。

Description

本发明是一种在粉末渗剂中对碳钢以及合金钢件进行表面硬化处理的工艺。

渗硼是一种广为应用的提高钢件表面硬度和耐磨性的方法，按其渗入的方式。可分为固体即粉末，液体和气体渗入三种。其中，粉末法因其设备简单、工艺简便、处理后工件易于清理，易于实现局部处理等优点而受到普遍重视，并且，在粉末渗硼的基础上又发展出了粉末硼硅共渗、粉末硼铬共渗、粉末硼钒共渗等。共渗处理后的耐磨性比渗硼有了进一步的提高。例如，对于粉末硼硅共渗，SU-718496提出了一种以B₄C（45～60%）为主要成分的粉末硼硅共渗剂，SU-977514A提出了一种以B₂O₃（10～40%）和硅钙（40～50%）为主要成分的粉末硼硅共渗剂，SU-1129268A提出了一种以B₄C（45～55%）和硅粉为主要成分的粉末硼硅共渗剂。对于粉末硼铬共渗，SU-863709提出了一种以B₄C（45～60%）为渗硼源的粉末硼铬共渗剂，SU-865968提出了一种以CrO₃为主要成分的粉末硼铬共渗剂。上述粉末共渗剂共同的不足之处在于采用了较多价格昂贵的B₄C和价格相对较贵的其他物质作为共渗剂的主要成分，因而经济性较差。另外，渗剂中较多的B₄C易使渗层中出现FeB，按公认的观点，FeB的出现将增加渗层的脆性，降低其耐磨性，特别是在钢件承受较重载荷时尤为如此。对于硼钒共渗，有人（金属热处理，1983年1期27～31页）提出采用盐浴硼钒共渗，但盐浴法的劳动条件较差，处理后残盐清洗麻烦，不适用于形状复杂的零件。西德有人（金属热处理，1982年12期10页）提出采用分步法粉末硼钒共渗，即先渗硼后再行渗钒，这种分步硼钒共渗处理周期长、能源消耗大、工艺复杂、成本高。SU-1070207A提出了一种以HVO₃和LaB₆、NH₄BF₄为主要成分的高合金钢的粉末硼钒共渗剂，但此渗剂的应用仅限于高合金钢，适用范围较窄，此外，所采用的HVO₃、LaB₆都价格高，来源有限，这种渗剂是以渗钒为主，渗层较薄。

本发明的目的旨在提出一种工艺周期较短、操作简便、经济性好的粉末法钢件表面硬化处理工艺，经该工艺处理后的钢件表面硬度高、耐磨性好、渗层有相当的厚度，且脆性较小，适用于碳钢以及合金钢。

本发明的目的是按下述步骤实现的：

①首先对低碳钢和低碳合金钢件进行渗碳，而高碳钢则不需进行渗碳，然后

②对处理件进行淬火，随后进行低温回火，然后

③对处理件进行磨削，随后

④对钢件表面进行共渗处理，共渗处理可采用本发明提出的粉末硼硅、硼铬、硼钒共渗剂中的任一种进行，随后

⑤对共渗处理后的工件进行淬火，随及进行低温回火。

本发明提出的三种粉末共渗剂配方分别为：

1、粉末硼硅共渗剂，其成分为（重量百分数）

Fe-B 45～55%

Fe-Si 15～20%

B₄C 16～20%

NH₄Cl 1～2%

硼砂余量

渗剂的五种成分之和为100%。

2、粉末硼铬共渗剂，其成分为（重量百分数）

Fe-B 15～25%

Fe-Cr 15～25%

KBF₄8～10%

NH₄Cl（或NH₄I） 2～3%

SiC 余量

渗剂的五种成分之和为100%。

3、粉末硼钒共渗剂，其成分为（重量百分数）

Fe-B 15～25%

Fe-V 15～25%

KBF₄8～10%

NH₄Cl 2～4%

SiC 余量

渗剂的五种成分之和为100%。

以下对本发明提出的处理工艺作进一步说明：

①、对于低于0.3%C的碳钢和低合金钢，共渗处理前必须进行渗碳，以保证经淬火后支撑共渗层的基体的硬度和强度高到足以支撑住共渗层，渗碳层厚度应达到1～1.5mm，其含碳量应达到1.0～1.2%C，渗碳处理可用众所周知的任何一种渗碳方法进行，如气体渗碳或固体渗碳。高碳钢不需进行渗碳。

②、钢件在共渗处理前必须磨削加工至表面光洁度

8以上，以保证好的共渗处理效果和使钢件在共渗处理后能有高的表面光洁度，而不需再进行磨削。

③、共渗剂的各组成物应破碎到细于60目的粒度，然后将渗剂粉末按上面所述比例均匀混合，随及将其置于烘箱内在120～150℃烘约4小时，以除去渗剂中的水分。

④、将已烘干的渗剂装入处理箱中，将待处理钢件埋入其内，钢件与箱壁距离应不小于10mm。

⑤、用耐火泥和水玻璃调成糊状，用于密封处理箱，封好后放置片刻，以使封泥干燥，然后

⑥、将其处理箱放入已升至450～550℃的热处理炉内，进行预热保温，保温时间1～2小时，然后随炉升温至共渗温度。

⑦、共渗温度为900～980℃。在此温度保温3～6小时，然后将处理箱取出空冷。

⑧、待处理箱冷至室温后，将钢件取出，清理干净，再将该钢件在不被氧化的环境中按其常规热处理规范进行淬火处理，随即在150～170℃回火，以使其基体得到细小的回火马氏体组织，提高基体强度。

⑨、最后对钢件表面进行抛光，以保证其表面光洁度不低于

8。

按本发明经硼硅共渗处理后，其结果为：

渗层厚度 86～150μm

渗层结构 Fe₂B和α相

渗层硬度 Fe₂B HM₅₀1362～1648

α相HM₅₀456～549

其中，α相是硅溶入铁素体所形成的固溶体，α相在Fe₂B中呈岛状分布，这种低硬度，呈岛状分布的α相有利于提高润滑条件下滑动摩擦的减摩性。

按本发明经硼铬共渗处理后，其结果为：

渗层厚度 95～165μm

渗层结构（Fe，Cr）₂B

渗层硬度 HM₅₀1362～1764

按本发明经硼钒共渗处理后，其结果为：

渗层厚度 85～170μm

渗层结构（Fe，V）₂B

渗层硬度 HM₅₀1544～1764

本发明提出的三种共渗剂都是采用铁合金（Fe-B，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V）作为渗入元素的供应源，（只有硼硅共渗采用了少量B₄C），这些物质来源广，价格相对低廉，故经济性好，并且，每次用过后适当添加新渗剂还可多次重复使用，同时，采用本发明提出的渗剂和相应共渗处理工艺，还可防止渗层中脆性相FeB的出现，并使共渗处理可在较低的温度范围和较短的时间周期实现。在450～550℃的预热保温，随后随炉升温可改善共渗处理效果，可减缓催渗剂（NH₄Cl和KBF₄，特别是NH₄Cl）的分解，减少发气量和减少气体的泄漏，从而可在使用较少催渗剂的条件下保证得到好的处理效果，同时也减少了对环境的污染。另一方面，也降低了对密封的要求，简化了处理工艺，催渗剂的适当减少对防止FeB的出现也起到有利作用。经共渗处理后，渗层达到了很高的硬度，并有相当厚的渗层，共渗层的结构为合金化的硼化二铁（硼硅共渗还有α相），没有FeB出现，共渗层脆性小，故经共渗处理后的钢件表面有很高的耐磨性，加之有较高硬度的基体支撑住共渗层，故经共渗处理后的表面能承受较重的载荷，因而本工艺适用于既要求高耐磨性，同时又要承受较重载荷的钢件的表面处理，如石油牙轮钻头滑动轴承的表面硬化处理，此外，本发明也可用作刀具、模具、以及其他要求高耐磨性钢件的表面硬化处理。

实施举例

例1 石油牙轮钻头所使用的SAE8720钢的粉末硼硅共渗

处理按前面所述的步骤进行，即渗碳-淬火-低温回火-磨削-硼硅共渗-淬火-低温回火-抛光。硼硅共渗处理的共渗剂成分、工艺参数和处理结果分别为：

粉末硼硅共渗剂成分（重量百分数）

Fe-B 51%

Fe-Si 19%

B₄C 16%

NH₄Cl 1%

硼砂 13%

硼硅共渗工艺参数

共渗剂烘干温度与时间 120℃，4小时

共渗处理的预热温度与时间 500℃，1小时

共渗处理温度与时间 950℃，6小时

处理结果：

渗层厚度 125μm

渗层结构 Fe₂B和α相

渗层硬度 Fe₂B HM₅₀1495

α相 HM₅₀549

紧接渗层的基体组织是回火马氏体，钢件心部组织为板条马氏体。

例2 石油牙轮钻头所使用的SAE8720钢的粉末硼铬共渗

本例采用的工艺步骤和工艺参数均同于例1，下面列出本例所用的共渗剂的成分和处理结果：

粉末硼铬共渗剂成分（重量百分数）

Fe-B 15%

Fe-Cr 15%

KBF₄10%

NH₄Cl 2%

SiC 58%

处理结果：

渗层厚度 144μm

渗层结构（Fe，Cr）₂B

渗层硬度 HM₅₀1595

紧接渗层的基体组织为回火马氏体，钢件心部组织为板条马氏体。

例3 石油牙轮钻头用SAE8720钢的粉末硼钒共渗

本例所用的工艺步骤和工艺参数均同于例1，下面列出所用共渗剂的成分和处理结果。

粉末硼钒共渗剂成分（重量百分数）

Fe-B 15%

Fe-V 15%

KBF₄10%

NH₄Cl 2%

SiC 58%

处理结果：

渗层厚度 140μm

渗层结构（Fe，V）₂B

渗层硬度 HM₅₀1648

例4 T10钢的粉末硼钒共渗处理

本例除共渗前不进行渗碳处理外，其余所有工艺步骤、工艺参数和共渗剂的成分均同于例3。下面列出处理结果：

渗层厚度 138μm

渗层结构（Fe，V）₂B

渗层硬度 HM₅₀1648

基体组织回火马氏体加粒状渗碳体

Claims

1、一种粉末法钢件表面硬化处理工艺，经过渗碳(只对于低碳钢)-淬火-低温回火-磨削-共渗处理-淬火-低温回火流程，其特征在于共渗剂的配方为：

①、粉末硼硅共渗剂，其成分为(重量百分数)

Fe-B 45～55%

Fe-Si 15～20%

B₄C 16～20%

NH₄Cl 1～2%

硼砂余量

上述五种成分之和为100%。

②、粉末硼铬共渗剂，其成分为(重量百分数)

Fe-B 15～25%

Fe-Cr 15～25%

KBF₄8～10%

NH₄Cl(或NH₄I) 2～3%

SiC 余量

上述五种成分之和为100%。

③、粉末硼钒共渗剂，其成分为(重量百分数)

Fe-B 15～25%

Fe-V 15～25%

KBF₄8～10%

NH₄Cl 2～4%

SiC 余量

上述五种成分之和为100%。

2、如权利要求1所述的一种粉末法钢件表面硬化处理工艺，其特征在于共渗处理时，先将已装入渗剂和钢件并已密封好的处理箱放入已升至450～550℃的热处理炉内预热保温1～2小时，然后随炉升温至共渗处理温度。

3、如权利要求2所述的一种粉末法钢件表面硬化处理工艺，其特征在于共渗处理温度为900～980℃，在此温度保温3～6小时。