一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，其步驟包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲。其中在硼-鉻-稀土共滲步驟中，自制滲箱用雙層水玻璃泥密封后，室溫放置24小時，再升溫至570℃-600℃，到溫入加熱爐，保溫6小時，隨爐冷卻處理。發(fā)明具有工件表面硼化物層脆性小、較為連續(xù)、與基體結(jié)合牢固、硼化物層相對較厚、約為15～23μm、應(yīng)用領(lǐng)域廣、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。
【專利說明】一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種滲硼工藝，具體地說是一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工件表面的改性技術(shù)得到了長足的發(fā)展，尤其是形變化學(xué)熱處理技術(shù)。它以其改善滲層組織性能，大幅度提高鋼鐵零件耐磨損、耐疲勞等與表面強化有關(guān)的性能，并可節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本等特別的優(yōu)勢受到人們的廣泛關(guān)注。固體滲硼技術(shù)就是其中的一種方法。滲硼是硼原子擴散到金屬表面形成金屬硼化物的一種熱化學(xué)表面強化技術(shù)。硼化物層具有硬度高、耐蝕性、耐磨性好和抗高溫氧化性的優(yōu)良特點，因此，它廣泛應(yīng)用于各種材料。
[0003]低溫滲硼是指在相變溫度以下進行滲硼。低溫滲硼處理可以減小模具變形，降低滲硼脆性，并仍可得到耐磨性較好的表層組織。對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔小、精度要求高的模具特別適用，再加上固體滲硼工藝簡單、操作方便、滲件易清洗等優(yōu)點，已成為滲硼技術(shù)的補充和發(fā)展。由于高溫滲硼(850°C~950°C )，存在明顯的缺點:滲硼溫度高、時間長、工件熱處理后變形較大；滲硼層脆性大，與基體結(jié)合不牢，容易剝落；鑒于此國內(nèi)外專家學(xué)者重點研究低溫滲硼工藝，用來解決高溫滲硼的不足。近些年國內(nèi)外專家學(xué)者主要研究低溫固體多元滲硼工藝、低溫固體多元滲硼劑、低溫固體多元活化劑、低溫固體滲硼后熱處理工藝、低溫固體滲硼滲前工藝等等。
[0004]目前，現(xiàn)有的低溫滲硼工藝主要存在硼化物層較淺、脆性大等不足。為提高工件表面低溫固體滲硼的速度，有的專家學(xué)者在低溫滲硼前對工件表面進行噴丸處理，噴丸時間為0.5h、lh、l.5h、2h ;還有的專家學(xué)者在低溫滲硼前對工件表面進行大變形處理，例如:工件表面機械碾壓處理、工件表面超聲噴丸處理、工件表面非晶化處理等等。這些低溫滲硼工藝均提高了工件表面低溫固體滲硼速度。有的低溫滲硼工藝將滲硼溫度控制在680°C，保溫時間為6h，硼化物層為單一的Fe2B,硼化物層連續(xù)、脆性較大、易脫落、厚度為10 μ m-15 μ m ；還有的滲硼工藝將滲硼溫度控制在650°C，保溫時間為6h，但硼化物層不連續(xù)、脆性大、存在孔洞、硼化物層前沿過渡區(qū)較寬，厚度為5 μ m-10 μ m。工件表面低溫固體滲硼前的工藝主要通過增加工件表面的擴散通道和降低工件表面硼原子的擴散激活能來提高滲速，這種工件表面滲硼工藝其應(yīng)用前景非常廣闊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工件表面硼化物層相對較深、脆性小、較為連續(xù)、與基體結(jié)合牢固、工件耐磨性較好，同時得到單一 Fe2B硼化物層的低溫固體多元滲硼工藝。
[0006]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。其中在硼-鉻-稀土共滲 步驟中，自制滲箱用雙層水玻璃泥密封后，室溫放置24小時，再升溫至570°C-60(TC，到溫入加熱爐，保溫6小時，隨爐冷卻處理。共滲劑成分為:硼鐵58.0份，高碳鉻鐵4.8份，稀土 3.9份，氟硼酸鉀5.2份，尿素2.1份，氯化銨1.2份，硅鈣合金10.2份，活性炭14.6份。
[0007]低溫固體多元滲硼工藝提高擴散速率的機理分析
[0008]為拓寬工件在精密器件上的應(yīng)用，采用硼鉻稀土多元低溫共滲，但傳統(tǒng)工藝滲速較低、滲層較淺。為提高滲速，采用滲前工件表面壓縮變形處理，經(jīng)壓縮變形處理后的工件表面晶粒沿壓縮垂直方向發(fā)生變形，晶粒細小，晶界增多，隨壓縮變形量的增加，晶粒越細小，晶界越多，這樣為活性硼原子的擴散提供了更多的通道，便于提高硼原子的擴散速率；此外，工件經(jīng)壓縮變形處理后表面存在大量的缺陷，例如:殘余應(yīng)力、位錯、孿晶等，這些表面的缺陷能夠激發(fā)硼原子的活性，提高硼原子的擴散速率，加快滲速；同時工件經(jīng)壓縮變形處理后表面硬度顯著提高，降低了基體與硼化物層之間的硬度梯度，改善了硼化物層的脆性，增強了硼化物層與基體的結(jié)合性。
[0009]多邊化強化是形變的工件在室溫或高溫(低于再結(jié)晶溫度)下加熱一段時間，形成多邊化組織。多邊化處理能夠減緩工件發(fā)生回復(fù)，促進工件再結(jié)晶形核，降低工件的再結(jié)晶溫度，對回復(fù)階段冷變形效果遺傳性具有一定的意義。壓縮變形的工件經(jīng)多邊化處理后形成多邊化組織，晶界增多，硼原子擴散通道增多，利于擴散；此外，壓縮變形的工件經(jīng)多邊化處理后隨著工件變形量、回火時間、回火溫度的變化，會形成穩(wěn)定性較高的多邊化位錯亞結(jié)構(gòu)，能夠激發(fā)硼原子的活性，提高硼原子的擴散速率，進一步提高滲速。
[0010]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0011]1、工件表面硼化物層脆性小、較為連續(xù)、與基體結(jié)合牢固。
[0012]2、低溫硼化物層相對較厚，約為15~23 μ m，應(yīng)用領(lǐng)域廣。
[0013]3、低溫固體多元滲硼中硼原子活性增強、擴散速率提高、經(jīng)濟性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是20鋼經(jīng)570°C X 6h硼化物層的組織形貌圖；
[0015]圖2是20鋼經(jīng)600°C X6h硼化物層的組織形貌圖；
[0016]圖3是45鋼經(jīng)570°C X6h硼化物層的組織形貌圖；
[0017]圖4是45鋼經(jīng)600°C X 6h硼化物層的組織形貌圖；
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0019]實施例1:一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。
[0020]對20號鋼試樣進行滲前壓縮變形處理，多邊化處理，硼-鉻-稀土共滲，滲后對硼化物層進行觀察。其工藝過程如下:
[0021]1.滲前壓縮變形處理 [0022]利用WDW-100型微機控制電子萬能試驗機對20號鋼進行壓縮變形處理，變形量為30%。
[0023]2.滲前多邊化處理[0024]對20號鋼進行滲前多邊化處理，工藝為550°C X 30min,空冷。
[0025]3.共滲劑配制
[0026]按上述共滲劑成分比例配制，過程如下:
[0027]a.將高碳鉻鐵、硼鐵、硅鈣合金等粉碎成100目；
[0028]b.將a中各共滲劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0029]c.向烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，進一步混合均勻；
[0030]4.工件裝箱
[0031]將混合均勻的共滲劑裝入自制滲箱內(nèi)，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應(yīng)大于或等于30mm。
[0032]5.硼-鉻-稀土共滲
[0033]滲箱用雙層水玻璃 泥密封后，放置24小時，加熱爐升溫至570°C，將滲箱放入，計時保溫6小時，隨爐冷卻。
[0034]如圖1所示，20鋼經(jīng)570°C X6h硼鉻稀土共滲，共滲層組織致密、樹枝狀、均勻、平均厚度為18 μ m。多邊化處理后工件表面晶界增多，為硼原子的擴散提供了更多的擴散通道，有利于滲速的提高；此外，多邊化處理后會形成多邊化亞結(jié)構(gòu)，降低硼原子的擴散激活能，提高滲速。專利ZL200810015959.7公開了一種硼-鉻-稀土共滲劑及其共析線以下的低溫共滲工藝，共滲溫度為680°C，保溫4小時。工藝中由于氟硅酸鈉共滲時產(chǎn)生氣體，且氣體量大，影響共滲層和基體的結(jié)合性。專利CN200610045187.2公開了一種工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝，共滲溫度為840-860°C，保溫4小時。工件經(jīng)上述工藝共滲冷卻后，變形較大，不適宜在精密件上應(yīng)用；同時由于在這個溫度范圍內(nèi)工件共滲后，得到的是FeB和Fe2B復(fù)合滲層，其脆性較大。
[0035]實施例2: —種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。
[0036]對20號鋼試樣進行滲前壓縮變形處理，多邊化處理，硼-鉻-稀土共滲，滲后對硼化物層進行觀察。其工藝過程如下:
[0037]1.滲前壓縮變形處理
[0038]利用WDW-100型微機控制電子萬能試驗機對20號鋼進行壓縮變形處理，變形量為30%。
[0039]2.滲前多邊化處理
[0040]對20號鋼進行滲前多邊化處理，工藝為550°C X 30min,空冷。
[0041]3.共滲劑配制
[0042]按上述共滲劑成分比例配制，過程如下:
[0043]a.將高碳鉻鐵、硼鐵、硅鈣合金等粉碎成100目；
[0044]b.將a中各共滲劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0045]c.向烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，進一步混合均勻；
[0046]4.工件裝箱
[0047]將混合均勻的共滲劑裝入自制滲箱內(nèi)，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應(yīng)大于或等于30mm。
[0048]5.硼-鉻-稀土共滲[0049]滲箱用雙層水玻璃泥密封后，放置24小時，加熱爐升溫至600°C，將滲箱放入，計時保溫6小時，隨爐冷卻。
[0050]如圖2所示，20鋼經(jīng)600°C X6h硼鉻稀土共滲，共滲層組織致密、樹枝狀、均勻、平均厚度為23 μ m。
[0051]實施例3: —種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。
[0052]對45號鋼試樣進行滲前壓縮變形處理，多邊化處理，硼-鉻-稀土共滲，滲后對硼化物層進行觀察。其工藝過程如下:
[0053]1.滲前壓縮變形處理
[0054]利用WDW-100型微機控制電子萬能試驗機對45號鋼進行壓縮變形處理，變形量為30%。
[0055]2.滲前多邊化處理
[0056]對45號鋼進行滲前多邊化處理，工藝為450°C X 30min,空冷。
[0057]3.共滲劑配制
[0058]按上述共滲劑成分比例配制，過程如下:
[0059]a.將高碳鉻鐵、硼鐵、硅鈣合金等粉碎成100目；
[0060]b.將a中各共滲劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0061]c.向烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，進一步混合均勻；
[0062]4.工件裝箱
[0063]將混合均勻的共滲劑裝入自制滲箱內(nèi)，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應(yīng)大于或等于30mm。
[0064]5.硼-鉻-稀土共滲
[0065]滲箱用雙層水玻璃泥密封后，放置24小時，加熱爐升溫至570°C，將滲箱放入，計時保溫6小時，隨爐冷卻。
[0066]如圖3所示，45鋼經(jīng)570°C X6h硼鉻稀土共滲，滲層組織致密、樹枝狀、均勻、平均厚度為15 μ m。
[0067]實施例4:一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。
[0068]對45號鋼試樣進行滲前壓縮變形處理，多邊化處理，硼-鉻-稀土共滲，滲后對硼化物層進行觀察。其工藝過程如下:
[0069]1.滲前壓縮變形處理
[0070]利用WDW-100型微機控制電子萬能試驗機對45號鋼進行壓縮變形處理，變形量為30%。
[0071]2.滲前多邊化處理
[0072]對45號鋼進行滲前多邊化處理，工藝為450°C X 30min,空冷。
[0073]3.共滲劑配制
[0074]按上述共滲劑成分比例配制，過程如下:
[0075]a.將高碳鉻鐵、硼鐵、硅鈣合金等粉碎成100目；
[0076] b.將a中各共滲劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；[0077]c.向烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，進一步混合均勻；
[0078]4.工件裝箱
[0079]將混合均勻的共滲劑裝入自制滲箱內(nèi)，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應(yīng)大于或等于30mm。
[0080]5.硼-鉻-稀土共滲
[0081]滲箱用雙層水玻璃泥密封后，放置24小時，加熱爐升溫至600°C，將滲箱放入，計時保溫6小時，隨爐冷卻。
[0082]如圖4所示，45鋼經(jīng)600°C X6h硼鉻稀土共滲，滲層組織致密、樹枝狀、均勻、平均厚度為21 μ mo
【權(quán)利要求】
1.一種工件表面低溫固體多元滲硼工藝，其特征是，包括滲前壓縮變形處理、滲前多邊化處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。其中在硼-鉻-稀土共滲步驟中，自制滲箱用雙層水玻璃泥密封后， 室溫放置24小時，再升溫至570°C -600°C，到溫入加熱爐，保溫6小時，隨爐冷卻處理。
【文檔編號】C23C12/02GK103938152SQ201410138978
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】袁興棟, 許斌, 楊曉潔, 石磊 申請人:山東建筑大學(xué)