一種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑及其應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑，屬于模具等零件表面強(qiáng)化技術(shù)，適合于用表面易磨損、易拉傷的金屬模具等零件。其基鹽為硼砂，供釩劑為V2O5或V-Fe合金，供鉻劑為Cr2O3或Cr粉，還原劑為Al粉或Si-Ca粉，活化劑為NaF或CaF，稀土為Ce或Ce合金；它們的質(zhì)量百分比分別為基鹽65～80％、供鉻劑5～10％、供釩劑5～10％、還原劑3～9％、活化劑3～9％，稀土含量為0.5～8％。與傳統(tǒng)的滲釩工藝相比，在獲得相同覆層厚度，覆層硬度接近的情況下，本發(fā)明的制備方法可以在較低的溫度下以及較短時(shí)間內(nèi)制得覆層，具有覆層質(zhì)量高、使用壽命長、環(huán)保節(jié)能、生產(chǎn)周期短等顯著特點(diǎn)。
【專利說明】—種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑及其應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模具表面處理技術(shù)，具體涉及一種共滲金屬表面強(qiáng)化技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]模具表面處理技術(shù)是模具制造中的關(guān)鍵工藝之一，直接涉及到模具制造精度、機(jī)械性能(如強(qiáng)度等)、使用壽命及制造成本，是保證模具質(zhì)量和使用壽命的重要環(huán)節(jié)。其中，TD (Toyota Diffusion Coating Process or Thermal Diffusion)處理技術(shù)由于具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，生產(chǎn)成本低，形成的碳化物具有優(yōu)異性能而備受世界各國的重視。
[0003]目前的TD法碳化物覆層技術(shù)多數(shù)僅限于單一元素覆層，在實(shí)際應(yīng)用總存在一些問題，例如應(yīng)用最廣泛的碳化釩覆層就存在以下問題:熱處理溫度較高，通常在900~10500C ;熱處理時(shí)間長，獲得6-15 μ m的覆層通常需要8~16小時(shí)；覆層有較大的脆性，在使用中容易產(chǎn)生剝落；在5001:以上的高溫下會產(chǎn)生氧化或分解。另外一種是滲鉻層，其抗高溫氧化性能雖好，但硬度較低，耐磨性較差，在低、中碳鋼的滲鉻或滲釩層下均易形成貧碳區(qū)，故只適用于輕載下工作的工件。
[0004]因此采用TD法鉻釩共滲工藝得到研究者的青睞，該工藝能在模具等表面形成高硬度、抗氧化的鉻釩稀土多元共滲覆層，克服單一覆層的缺點(diǎn)。其獲得的覆層既具有VC、鉻的碳化物兩者優(yōu)異性能，又能顯著改變鋼件表面層特性，改變滲層鉻釩成分分布及硬度梯度，降低滲層脆性。
[0005]但是，目前的TD法鉻釩共滲工藝采用的共滲劑是硼砂基鹽、Cr2O3或Cr粉供鉻劑、V2O5或V-Fe合金供釩劑、Al粉或S1-Ca粉、NaF或CaF等組成，其覆層的耐腐蝕性與單滲釩層相比有所提高，但其硬度等仍然較低，耐磨性較差，所需相同厚度覆層的溫度較高或時(shí)間較長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種涉及鉻釩稀土多元共滲工藝的硼砂鹽浴滲金屬滲劑，在傳統(tǒng)TD鉻釩共滲鹽浴滲劑基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地加入稀土 Ce，并且通過研究獲得了最佳的Ce添加量和其它鹽浴組分的優(yōu)化配方，得到一種新型的TD法鹽浴滲金屬滲劑。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]本發(fā)明滲劑主要由基鹽、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑以及稀土等組成，滲劑中的基鹽、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑和稀土的質(zhì)量比分別為基鹽65~80%、供鉻劑5~10%、供釩劑5~10%、還原劑3~9%、活化劑3~9%，稀土含量為0.5~8%。其中基鹽為硼砂、氯化鈉等混合物，供釩劑為V2O5或V-Fe合金，供鉻劑為Cr2O3或Cr粉，還原劑為Al粉或S1-Ca粉，活化劑為NaF或CaF，稀土為Ce或其合金。
[0009]共滲工藝為:首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應(yīng)熔化均勻。同時(shí)將工件進(jìn)行預(yù)熱處理，然后在900-980°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理2-8小時(shí)，獲得共滲覆層，然后取出回火。
[0010]本發(fā)明通過創(chuàng)新性地在滲劑中加入稀土 Ce，具有特殊電子結(jié)構(gòu)與化學(xué)活性的稀土元素能滲入到鋼的表面，在表面層中形成了一定濃度梯度，在相同的化學(xué)熱處理?xiàng)l件下，稀土元素的添加可使化學(xué)熱處理過程明顯加快，起到催慘作用。
[0011]但稀土的催滲效果不但與工藝溫度、工藝過程有關(guān)，而且與稀土摻入量有關(guān)。當(dāng)滲劑中稀土濃度低時(shí)，稀土元素對滲劑分解的促進(jìn)作用較小，稀土原子活性中心在工件表面的覆蓋率也較小，欲滲原子濃度梯度增加得也不多，故而催滲作用不明顯；當(dāng)滲劑中稀土濃度過高時(shí)，會引起大量稀土原子堆積在鋼表面，使其原子活性中心作用下降。因此，只有當(dāng)滲劑中稀土濃度適宜時(shí)，其活性中心作用才能充分發(fā)揮，催慘效果最佳。
[0012]本發(fā)明通過研究獲得了最佳的Ce添加量和其它鹽浴組分的優(yōu)化配方，在硼砂鹽浴中進(jìn)行鉻釩稀土多元共滲，通過稀土催化作用，在模具等工件表面制備幾微米至二十余微米厚的多元復(fù)合碳化物覆層，其微觀組織特點(diǎn)在于覆層中以稀土、釩為主的高硬度碳化物規(guī)則分布于硬度相對較低的鉻碳化物基體中，靠近表層，而鉻碳化物主要分布于靠近基體的覆層中。覆層硬度可達(dá)2700HV以上，具有比滲釩覆層更高的使用溫度以及與基體更強(qiáng)的結(jié)合力。
[0013]與傳統(tǒng)的滲釩工藝相比，在獲得相同覆層厚度，覆層硬度接近的情況下，本發(fā)明的制備方法可以在較低的溫度下以及較短時(shí)間內(nèi)制得覆層，具有覆層質(zhì)量高、使用壽命長、環(huán)保節(jié)能、生產(chǎn)周期短等顯著特點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明適合于用含碳量≥0.3%wt的表面易磨損、易拉傷的金屬模具等零件，廣泛應(yīng)用于汽車零部件、機(jī)械、國防工業(yè)、冶金、航空航天等行業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1.Crl2鋼經(jīng)940°C，TD處理4小時(shí)后覆層截面微觀組織掃描電鏡二次電子形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
[0017]配制滲劑(質(zhì)量百分比):硼砂(70%)，V2O5(6%), Cr2O3 (8%)，Al 粉(6%)，NaF (6%)，Ce (4%)。
[0018]首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應(yīng)熔化均勻，同時(shí)將Crl2鋼模具進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理4小時(shí)；取出后直接油淬，在180°C，回火2小時(shí)。經(jīng)測量，模具表面平均硬度為Hva‘2950，滲層厚度為13.2μπι。獲得的覆層的截面微觀組織掃描電鏡二次電子形貌參見圖1。
[0019]實(shí)施例2
[0020]配制滲劑(質(zhì)量百分比):硼砂(70%)，V205(6%), Cr2O3 (7%), S1-Ca (6%),NaF (6%)，Ce-Fe (5%)。
[0021]首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應(yīng)熔化均勻，同時(shí)將Crl2MoV鋼模具進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理4小時(shí)；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時(shí)。經(jīng)測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=2850，滲層厚度為 12.6ym0
[0022]實(shí)施例3
[0023]配制滲劑(質(zhì)量百分比):硼砂(72%)，V205(6%), Cr2O3 (9%), S1-Ca (5%),NaF (5%)，Ce-Fe (3%)。
[0024]將Crl2MoV鋼模具進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度為400~450°C。在920°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理6小時(shí)；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時(shí)。經(jīng)測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=2750，滲層厚度為10.6μπι。
[0025]實(shí)施例4
[0026]配制滲劑(質(zhì)量百分比):硼砂(76%)，V2O5 (9%)，0粉(6%)，八1粉(5%)，〇&卩(5%)，Ce (1%)。
[0027]將Crl2MoV鋼模具進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度為400~450°C。在980°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理6小時(shí)；取出后直接油淬，于在200°C，回火2小時(shí)。經(jīng)測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=2970，滲層厚度為15.7μπι。
[0028]對比例I
[0029]配制滲劑(質(zhì)量百分比):硼砂(74%)，V205(7%), Cr2O3 (7%), S1-Ca (6%),NaF (6%)。
[0030]將Crl2鋼模具進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理4小時(shí)；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時(shí)。經(jīng)測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=1722，滲層厚度為3.75 μ m。
[0031]對比例2
[0032]配制滲劑(質(zhì)量百分比):硼砂(74%)，V2O5(6%), Cr2O3 (8%)，Al 粉(6%)，NaF (6%)。
[0033]將Crl2MoV鋼模具進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理4小時(shí)；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時(shí)。經(jīng)測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=1507，滲層厚度為3.93 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑，其包括基鹽、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑以及稀土 ；其特征在于:所述基鹽為硼砂，供釩劑為V2O5或V-Fe合金，供鉻劑為Cr2O3或Cr粉,還原劑為Al粉或S1-Ca粉,活化劑為NaF或CaF,稀土為Ce或Ce合金；它們的質(zhì)量百分比分別為基鹽65~80 %、供鉻劑5~10 %、供釩劑5~10 %、還原劑3~9 %、活化劑 3~9%，稀土含量為0.5~8%。
2.權(quán)利要求1所述的鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑的應(yīng)用方法，其特征在于首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應(yīng)熔化均勻，同時(shí)將工件進(jìn)行預(yù)熱處理，然后在900-980°C的溫度下在上述滲劑中進(jìn)行TD處理2-8小時(shí)，獲得共滲覆層，然后取出回火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑的應(yīng)用方法，其特征在于:所述覆層平均硬度為Hv0.05>2700，滲層厚度>10 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑的應(yīng)用方法，其特征在于:所述回火溫度在 150~300°C。
【文檔編號】C23C10/26GK103526154SQ201310526320
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】黃福祥, 蘇謀, 曹登駒 申請人:重慶理工大學(xué), 重慶萊斯硬化技術(shù)研究所