專利名稱：一種硼-鉻-稀土共滲劑及其共析線以下的低溫共滲工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形變化學(xué)熱處理工藝，具體地說是一種硼-鉻-稀土共滲劑及其共析線以 下的低溫共滲工藝。
技術(shù)背景滲硼是指向鋼鐵材料中滲入硼元素，以獲得鐵硼化物的熱處理工藝。滲硼后工件表面具 有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性和熱硬性。該工藝已逐漸成為廣泛應(yīng)用的表面擴(kuò)散滲入處 理工藝。適合滲硼的材料幾乎涵蓋所有鋼鐵材料。與其它化學(xué)熱處理一樣，滲硼也存在明顯的缺點(diǎn)，如滲硼速度慢和滲硼層脆性大。由于 滲硼一般在鋼鐵材料的共析溫度以上進(jìn)行，滲后冷卻勢必造成工件發(fā)生相變，產(chǎn)生的相變應(yīng) 力使工件發(fā)生變形。這樣，工件經(jīng)機(jī)加工后留下的滲硼層明顯變薄。另外，滲硼層雖然硬度 很高，但脆性較大。因?yàn)殍F硼化合物本身是硬脆的金屬化合物，加之不同硼化物之間以及硼 化物與基體之間在比容和膨脹系數(shù)上的差異，易造成在承受較大沖擊載荷或溫度急劇變化時， 產(chǎn)生不利的殘余應(yīng)力，造成滲層的剝落和開裂，這也是其應(yīng)用受限的重要原因。滲硼工藝主 要應(yīng)用在易磨損的鋼鐵零件上，這主要是為了提高工件使用壽命，降低生產(chǎn)成本。但是，滲 硼工藝在精密件上的應(yīng)用較少，這是由于滲砌及其后續(xù)熱處理使工件尺寸變化較大，從而嚴(yán) 重限制了其在精密件上的應(yīng)用，故還需大量研究和開發(fā)滲硼新工藝。隨著生產(chǎn)中新型壓力加工方法的不斷出現(xiàn)，形變化學(xué)熱處理得到迅速發(fā)展。它以其特別 的優(yōu)勢，如改善滲層組織性能，大幅度提高鋼鐵零件耐磨損、財(cái)疲勞等與表面強(qiáng)化有關(guān)的性 能，并可節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本等。因此，形變化學(xué)熱處理逐步為人們所重視。經(jīng)冷塑性 變形后再進(jìn)行低溫滲硼，工件變形小，并可得到一定深度的表面硬化層，其應(yīng)用前景非常廣 闊?，F(xiàn)有的硼-鉻-稀土共滲劑中供硼劑選用的是硼鐵或者是B4C,這兩種供硼劑一方面價格較 高，會提高滲劑的價格；另外，B4C做供硼劑易得到FeB+Fe2B雙相，使?jié)B層脆性增加。中國專利CN200610045187.2公開了一種工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝，其中包 括工件噴丸處理、裝箱、硼-鉻-稀土共滲、滲后處理以及共滲劑的配制方法，其中在硼-鉻-稀土共滲中有"滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90"110'C烘干；再升溫至840"86(TC，到溫 入爐加熱"。在840"860'C這個溫度范圍內(nèi)，工件經(jīng)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，相對 單一Fe2B滲層來說，其脆性較大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為克服現(xiàn)有滲硼技術(shù)的不足，提供一種滲后工件變形小、工件滲層相對較深、滲層脆性小、工件耐磨性好、生產(chǎn)成本低、節(jié)約能源、并能得到單一Fe2B滲層的硼-鉻-稀土共 滲劑及其共析線以下的低溫共滲工藝。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。 一種硼-鉻-稀土共滲劑，包括以下重量比的 成分，高碳鉻鐵6.1-6.2份，氯化稀土 5"6份，氟硅酸鈉15.5-16份，硅鈣合金11-11.5份， 硼砂23-23.5份，石墨35-35.5份，尿素1.8-2份，氯化銨1-1.05份。一種共析線以下利用硼-鉻-稀土共滲劑的低溫共滲工藝，包括工件噴丸處理、裝箱和硼-鉻-稀土共滲步驟，其中在硼-鉻-稀土共滲步驟中，滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90"1101C烘 干；再升溫至60O""680匸，到溫入加熱爐，到溫后計(jì)時保溫44.5小時，然后出爐空氣冷卻 處理。形變硼-鉻-稀土低溫共滲機(jī)理分析與單一滲硼層相比，硼-鉻-稀土共滲層保持了單一滲硼層的組織特征，但共滲層較為致 密，表面疏松較輕。實(shí)驗(yàn)表明，在相同溫度下進(jìn)行形變的硼-鉻-稀土共滲，可對滲層組織產(chǎn)生極大影響，滲 層深度明顯增加。形變引起的大量位錯，為硼原子的擴(kuò)散提供了有利"通道"。硼原子沿著位 錯進(jìn)行擴(kuò)散時所需要的激活能小于在點(diǎn)陣內(nèi)擴(kuò)散時的激活能并且在位錯的附近區(qū)域，原子 的躍遷頻率同樣大于點(diǎn)陣內(nèi)部，硼原子沿著這些"通道"更容易進(jìn)行擴(kuò)散。同時進(jìn)入試樣表 層的硼原子或剛剛形成的硼化物晶核就會"釘扎"在位錯線周圍，對形變組織的恢復(fù)與再結(jié) 晶起到阻礙作用，使其延遲或不能進(jìn)行，從而加速了滲層的形成和生長。隨位錯密度增加， 系統(tǒng)中的自由焓明顯增加，硼原子在晶體中的吸附和擴(kuò)散速度會加快。由于共滲劑中加入了鉻和稀土元素，當(dāng)表面共滲層連成片時，稀土原子的擴(kuò)散受到阻礙， 大部分隨晶界滲入到滲層內(nèi)部。稀土原子的半徑較大，可以填充共滲過程中由于克肯達(dá)爾效 應(yīng)而產(chǎn)生的空位，使?jié)B層的空洞數(shù)量減少，滲層組織致密；鉻原子與鐵原子半徑相差不大， 鉻原子在硼化物柱狀晶內(nèi)以置換固溶體的形式存在，在一定程度上改善了硼化物相結(jié)構(gòu)空間 鍵絡(luò)不均勻的狀況，從而改善了硼化物的本質(zhì)脆性。形變后金屬表面所產(chǎn)生的位錯等缺陷儲存了大量的畸變能，由于這些畸變能的存在，使 塑性變形后的金屬材料的自由能升高，在熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)狀態(tài)，具有向形變前的穩(wěn)定狀態(tài) 轉(zhuǎn)化的趨勢。如果溫度升高，原子有了足夠高的活動能力，形變金屬中就能由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn) 定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶。溫度越高，回復(fù)再結(jié)晶的程度越大，使位錯也開始運(yùn)動起 來異號位錯互相吸引而消失，纏結(jié)中的位錯進(jìn)行重新組合，溫度更高時，位錯還可以攀移， 使位錯密度減少。因此本發(fā)明在相變線以下進(jìn)行低溫滲硼，可以保持相對多的位錯等缺陷， 為硼原子向內(nèi)部擴(kuò)散提供有利"通道"。另外，在相變線以下進(jìn)行低溫共滲，即在鐵素體狀態(tài) 下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，整個過程中沒有發(fā)生鐵素體和奧氏體的相互轉(zhuǎn)變，因此不會產(chǎn)生較 大的相變應(yīng)力，使工件不會產(chǎn)生較大的變形。本發(fā)明采用價格比較低廉的硼砂做供硼劑，也可起到滲硼的作用。共滲劑其它部分是石 墨為填充劑、氯化稀土為催滲劑、硅鈣合金為還原劑等，最后得到粉末狀或粒狀硼-鉻-稀土 共滲劑。其中的組分均是目前國內(nèi)最為廉價的。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1. 與原來850X:高溫共滲相比，低溫共滲滲后工件變形小，改變了原來8501C高溫共滲 所導(dǎo)致的工件變形過大而限制滲硼在精密件上的應(yīng)用情況，極大推動了滲硼在精密件上的應(yīng) 用。2. 硼-鉻-稀土共滲可使?jié)B層晶界電子分布趨于均勻化、減輕有害元素在晶界上偏聚以及 容易獲得低硼相，滲后工件滲層深，與原來850r髙溫共滲得到的FeB和F&B復(fù)合滲層相比， 低溫共滲滲后工件可得到單一的Fe2B滲層。由于單一FeaB相脆性較小，使得與850"高溫 共滲相比，低溫共滲滲后的滲層脆性小.3. 滲后工件耐磨性好，硬度高，但與8501C高溫共滲相比沒有變化，4. 低溫共滲，相對成本低，節(jié)約能源，綜合經(jīng)濟(jì)效益好.


圖l是無塑性變形的20鋼在680X^4h共滲層的組織形貌圖； 圖2是噴丸lh、 680Cx4h下的20鋼試樣共滲層的組織形貌圖； 圖3是噴丸L5h、 680X;x4h下的20鋼試樣共滲層的組織形貌圖；圖4是無塑性變形、噴丸lh和噴丸1.5h的20鋼試樣在6801C X4h條件下的共滲層硬度 分布圖；圖5是無塑性變形的45鋼在680"C X4h共滲層的組織形貌圖； 圖6是噴丸lh、 680"CX4h下的45鋼試樣共滲層的組織形貌圖； 圖7是噴丸1.511、 680'CX4h下的45鋼試樣共滲層的組織形貌圖；圖8是無塑性變形、噴丸lh和噴丸1.5h的45鋼試樣在6801C X4h條件下的共滲層硬度 分布圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1:—種硼-鉻-稀土共滲劑，包括以下重量比的成分，高碳鉻鐵6.1份，氯化稀 土 5份，氟硅酸鈉15.5份，硅銬合金11份，硼砂23份，石墨35份，尿素1.8份，氯 化銨1份。對20號鋼試樣噴丸1小時，然后在68(TCX4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣 進(jìn)行觀察和檢測。其工藝過程如下 1.對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機(jī)，噴丸時間為60分鐘，鋼丸采用直徑為1.4mm的鑄鋼球，鋼球 線速度為70m/s。2. 共滲劑配制共滲劑是通過Lw(6ix力Ls(4、2,泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，其配制過程 如下a 將高碳鉻鐵、氯化稀土、硅鈣合金粉碎成100目；b. 將硼砂在500X:脫水后碾成100目的粉末；c. 將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在150t烘干3小時；若配制成粒狀, 則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在100"C，3. 裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)。4. 硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部 填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于 30mm;滲箱用雙層水玻璃泥密封后，IOOIC烘干再升溫至680"C,到溫入加熱爐，到溫后 計(jì)時保溫4小時，然后出爐空氣冷卻。實(shí)施例2: —種硼-鉻-稀土共滲劑，包括以下重量比的成分，高碳鉻鐵6.2份，氯化稀 土 6份，氟硅酸鈉16份，硅鈣合金11.5份，硼砂23.5份，石墨35.5份，尿素2份， 氯化銨1.05份。對20號鋼試樣噴丸1.5小時，然后在680t:X4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，其工藝過程如下1. 對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機(jī)，噴丸時間為卯分鐘，鋼丸采用直徑為1.4mm的鑄鋼球，鋼球 線速度為50m/s:2. 共滲劑配制共滲劑是通過U8(6、3、"(4、2,泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，其配制過程 如下a 將高碳鉻鐵，氯化稀土，硅鈣合金粉碎成卯目；b. 將硼砂在400'C脫水后碾成90目的粉末c. 將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在140'C烘干2小時；若配制成粒狀， 則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在90'C;3. 裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)；4. 硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部 填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于 30mm;滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90"C烘干；再升溫至68(TC，到溫入加熱爐，到溫后計(jì)時保溫4小時，然后出爐空氣冷卻。如圖l、圖2、圖3所示，20鋼通過室溫噴丸處理，在6801CX4h下得到的滲層組織較沒有 塑性變形的滲層組織致密未變形的試樣滲層深度為20拜，而噴丸1.5h和lh后的試樣滲層深 度分別可達(dá)35拜和30Mm,形變明顯加速了滲硼速度。從圖2、圖3還可以看出共滲層均勻， 表面疏松較輕。20鋼經(jīng)噴丸處理，表面因形變引入了大量位錯結(jié)構(gòu)，對滲層形成和生長起促 進(jìn)作用隨變形量增加，位錯胞被拉長，胞壁中位錯密度增大；與未變形試樣相比，形變試 樣表面因含有大量位錯而使表面活化，從而加速了滲硼初期表面對硼原子的吸附過程，進(jìn)入 試樣表層的硼原子或剛剛析出的硼化物小顆粒對形變組織的恢復(fù)或再結(jié)晶將起到阻礙作用， 使其延遲或不能進(jìn)行。另外由于溫度較低，也使組織的回復(fù)再結(jié)晶減少，能保留較多的位錯 缺陷，從而加速了滲層的形成和生長。圖4表明噴丸后共滲，滲層硬度較無塑性變形情況下 稍有提高，因而保持了較高的硬度，且硬度梯度較緩。實(shí)施例3: —種硼-鉻-稀土共滲劑，包括以下重量比的成分，]^鉻鐵6.15份，氯化稀 土 5.5份，氟硅酸鈉15.7份，硅鈣合金11.3份，硼砂23J2份,右墨35.3份，尿素1.9份， 氯化鉸1.02份。對45號鋼試樣噴丸1小時，在68(TCX4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進(jìn)行 觀察和檢測。其工藝過程如下1. 對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機(jī)，噴丸時間為60分鐘，鋼丸采用直徑為1.4mm的鑄鋼球，鋼球 線速度為70m/S;2. 共滲劑配制共滲劑是通過U(6、3、Lg(4、2,泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，其配制過程 如下&將高碳鉻鐵，氯化稀土，硅鈣合金粉碎成100目；b. 將硼砂在500'C脫水后碾成100目的粉末；c. 將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在150r烘干3小時；若配制成粒狀， 則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在100"C;3. 裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)4. 硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部 填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于 30mm;滲箱用雙層水玻璃泥密封后，IOO'C烘干；再升溫至680'C，到溫入加熱爐，到溫后 計(jì)時保溫4小時，然后出爐空氣冷卻。實(shí)施例4: 一種硼-鉻-稀土共滲劑，包括以下重量比的成分，高碳鉻鐵6.2份，氯化稀 土 5份，氟硅酸鈉15.3份，硅鈣合金11.2份，硼砂23.5份，石墨35份，尿素1.8份， 氯化銨1.02份。對45號鋼試樣噴丸1.5小時，在680卩X4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進(jìn) 行觀察和檢測。其工藝過程如下1. 對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機(jī)，噴丸時間為90分鐘，鋼丸采用直徑為1.4mm的鑄鋼球，鋼球 線速度為50m/s。2. 共滲劑配制共滲劑是通過Lw(6^3"L8(4、2,泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑。其配制過程 如下i將高碳絡(luò)鐵，氯化稀土，硅鈣合金粉碎成鄰目；b. 將硼砂在400-500*0脫水后碾成90目的粉末；c. 將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在140度烘干2小時。若配制成粒狀， 則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在9or;3. 裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)；4. 硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部 填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于 30mm:滲箱用雙層水玻璃泥密封后，卯"烘干；再升溫至680"C，到溫入加熱爐，到溫后計(jì) 時保溫4小時，然后出爐空氣冷卻。如圖5、圖6、圖7所示。通過室溫噴丸處理后，在680CX4h下得到的滲層組織較沒有塑 性變形的滲層組織更加致密，硼齒中間的夾雜較少。未變形的試樣滲層深度為18nm，而噴丸 1.5h和lh后的試樣滲層深度分別可達(dá)28,和24nm,形變使?jié)B硼速度加快。從圖6、圖7還可以 看出共滲層均勻，表面疏松較輕。45鋼經(jīng)噴丸處理，表面因形變引入了大量位錯結(jié)構(gòu)，對 滲層形成和生長起促進(jìn)作用隨變形量增加，位錯胞被拉長，胞壁中位錯密度增大；與未變 形試樣相比，形變試樣表面因含有大量位錯而使表面活化，從而加速了滲硼初期表面對硼原 子的吸附過程，進(jìn)入試樣表層的硼原子或剛剛析出的硼化物小顆粒對形變組織的恢復(fù)或再結(jié) 晶將起到阻礙作用，使其延遲或不能進(jìn)行。另外由于溫度較低，也使組織的回復(fù)再結(jié)晶減少， 能保留較多的位錯缺陷，從而加速了滲層的形成和生長。圖8表明噴丸后共滲，滲層硬度與 無塑性變形試樣的深層硬度大致相同，因而保持了較高硬度，且硬度梯度較緩。
權(quán)利要求
1. 一種硼-鉻-稀土共滲劑，其特征在于包括以下重量比的成分，高碳鉻鐵6.1-6.2份，氯化稀土5-6份，氟硅酸鈉15.5-16份，硅鈣合金11-11.5份，硼砂23-23.5份，石墨35-35.5份，尿素1.8-2份，氯化銨1-1.05份。
2. —種共析線以下利用權(quán)利要求1所述的硼-鉻-稀土共滲劑的低溫共滲工藝，包括工件 噴丸處理、裝箱和硼-鉻-稀土共滲步驟，其特征在于在硼-鉻-稀土共滲步驟中，滲箱用雙層 水玻璃泥密封后，90"110'C烘干；再升溫至600~680匸，到溫入加熱爐，到溫后計(jì)時保溫 44.5小時，然后出爐空氣冷卻處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硼-鉻-稀土共滲劑及其共析線以下的低溫共滲工藝，共滲劑包括以下重量比的成分，高碳鉻鐵6.1-6.2份，氯化稀土5-6份，氟硅酸鈉15.5-16份，硅鈣合金11-11.5份，硼砂23-23.5份，石墨35-35.5份，尿素1.8-2份，氯化銨1-1.05份。共滲工藝包括工件噴丸處理、裝箱和硼-鉻-稀土共滲步驟，在硼-鉻-稀土共滲步驟中，滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升溫至600-680℃，到溫入加熱爐，到溫后計(jì)時保溫4-4.5小時，然后出爐空氣冷卻處理。本發(fā)明具有工件變形小、工件滲層深、滲層脆性小、工件耐磨性好、硬度高、成本低、節(jié)約能源、能得到單一的Fe₂B滲層等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C23C8/60GK101265563SQ200810015959
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者馮承明, 宋月鵬, 張南南, 樂 楊, 斌 許, 邢士波, 郭仁紅 申請人:山東建筑大學(xué)