專利名稱：金屬鈦表面滲硼用滲硼劑及滲硼工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬表面處理技術領域，具體涉及金屬鈦表面滲硼用滲硼劑及滲硼工藝。
背景技術：
金屬鈦是一種綜合性能極其優(yōu)異的結構材料，其比強度大，耐熱性好，耐蝕性強， 因此宇航、石化和原子能發(fā)電等技術產(chǎn)業(yè)中的應用日益廣泛。然而，鈦金屬亦存在不可忽視的弊端例如耐磨性差，容易發(fā)熱膠著，極易高溫氧化和吸氫，從而導致塑性和強度降低，金屬鈦及其合金在強腐蝕環(huán)境中長期使用也會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。因此鈦金屬表面的優(yōu)化強化成為國內外學者研究的焦點。滲硼是行之有效的表面硬化熱處理工藝，因為滲硼層一般都具有比較高的耐磨性，較高的疲勞強度，良好的耐腐蝕性，紅硬性，抗高溫氧化性和耐熱性等優(yōu)良性能。
現(xiàn)有常用的滲硼方法有粉末冶金合成法、化學氣相沉積合成法、直接合成法、自蔓延高溫合成法、高溫熔鹽浸漬法、金屬(碳)還原法以及熔鹽電解法等。其中，粉末冶金燒結合成法耗時長、耗能多；化學氣相沉積法工藝要求苛刻、復雜，而且主要得到較薄的TiB2 層；直接合成法所用原料昂貴、成本高，金屬還原法一般在惰性氣氛下或真空條件下進行， 制備成本高；自蔓延高溫合成法制作時間短，但合成出來的產(chǎn)品多孔、結構疏松；高溫熔鹽浸漬法要求保溫時間長，含氟化物多，后處理較煩瑣，很難得到整潔的滲硼表面。以上工藝基本都存在操作溫度偏高，滲硼層不均勻，對滲硼設備要求高，滲硼劑使用周期短，能耗較大等不足。公開號為CN1603452的發(fā)明專利，提供了一種金屬表面滲硼層的快速制備方法， 其步驟為1、將滲硼劑置于陶瓷坩堝中；2、將工件或試樣置于裝有滲硼劑的坩堝中；3、將上述步驟2中裝有工件和滲硼劑的陶瓷坩堝置于微波加熱腔內；4、微波加熱升溫到550 1100°C，保溫0.5 1.5小時，即可在工件表面制備滲硼層；所述的滲硼劑可以是液體、固體或膏狀體滲硼劑，選用質量組成為70%硼砂+30% B4C、70%硼砂+20% SiC+10% NaF或 Na2C03,40% B4C+50% CaF2+10% Na2SiF6,5% B4C+5% KBF4+10% NH4C1+余量 SiC、72% B-Fe+5% KBF4+23%木炭粉和 50%硼砂 +10% SiC+10% KCl+20% Na2AlFe6+5% B4C+5% Cr203組成的滲硼劑中的任一種。該發(fā)明專利較好地克服了目前化學熱處理溫度高、時間長的局限，但其所制得的滲硼層較薄，且其滲硼層僅經(jīng)過加熱處理，沒有進一步進行固化處理，導致工件表面的滲硼層硬度不夠理想，容易脫落。發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種金屬鈦表面滲硼用滲硼劑及滲硼工藝。采用本發(fā)明所述滲硼劑及工藝對金屬鈦進行滲硼得到的滲硼層厚且均勻，硬度高，結合力好。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案
金屬鈦表面滲硼用滲硼劑，按質量百分比由以下組分組成
~徹840720 35少0
壓80310 20少0
840 1 0 200/0 ^0115 25少0
^510115 25少0
1 5少0。
〔0008〕 上述各組分的質量百分比優(yōu)選為 〔0009〕
^32840725 35少0
扎80310 15少0
8401 5 20少0
^0115 20少0
^510115 20少0
1 3少0。
〔0010〕 采用上述組成的滲硼劑對金屬鈦表面滲硼的滲硼工藝，包括以下步驟 〔0011〕 0配制滲硼劑按配比量稱取各組分，混勻，得到滲硼劑，烘干備用； 〔0012〕 2、對金屬鈦樣品表面進行預處理；
〔0013〕 3〉滲硼處理將烘干的滲硼劑裝入石墨坩堝并將石墨坩堝置于電阻爐中，加熱至 滲硼劑熔化，將鈦樣品浸入滲硼劑熔體，于850 9501條件下保溫0丨5 3、將鈦樣品從 滲硼劑熔體中取出，置于淬冷劑中淬火，即在鈦樣品表面制得滲硼層。 〔0014〕 上述方法中，
^00153 步驟丨)中，烘干的溫度通常為120 160。0。
〔0016〕 步驟2〉中，所述對金屬鈦樣品表面進行預處理可按常規(guī)方法進行，優(yōu)選是包括除 油處理和浸濁處理。其中，進行除油處理的除油液為氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸和硅酸鈉溶于 水中得到的水溶液，它們的濃度分別為氫氧化鈉10 158幾，碳酸鈉22 278幾，磷酸55 658幾，硅酸鈉6 108幾；除油時金屬鈦樣品在除油液中的浸泡時間一般為8 口時！!，除 油液的溫度為70 801。進行浸濁處理的浸濁液由2.0^ (^八)氫氟酸溶液和20^卜八) 硝酸溶液按1 1的體積比混合組成；浸濁時金屬鈦板在浸濁液中的浸泡時間一般為3 501！！。這里所說的金屬鈦可以是純金屬鈦，也可以是鈦合金。
〔0017〕 步驟3〉中，金屬鈦樣品只要浸沒于滲硼劑熔體中即可，優(yōu)選是將金屬鈦樣品浸入 滲硼劑熔體液面以下1 20！?。?。
〔0018〕 步驟3〉中，所述保溫的時間優(yōu)選為1 21！。當保溫時間超過38時，滲硼層的厚度 增加并不明顯。
〔0019〕 步驟3〉中，所述的淬冷劑為水或硅油。 〔0020〕 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
〔0021〕 1、本發(fā)明所述滲硼劑氟化物含量少、無腐蝕性、高溫流動性好、初晶溫度低、可循 環(huán)使用且可用周期長，價格低廉；
〔0022〕 2、本發(fā)明所述滲硼工藝先是將金屬鈦樣品置于特定組成的滲硼劑熔體中，保溫一 定時間使金屬鈦樣品表面形成滲硼層，然后再通過淬火操作對滲硼層進行固化，以在金屬鈦樣品表面得到厚且均勻、硬度高、結合力好的滲硼層，且金屬鈦樣品表面的熔鹽易處理；
3、本發(fā)明所述滲硼工藝操作簡單易控，滲硼劑損失少；操作時間短，能耗低，適合工業(yè)生產(chǎn)。


圖1為按本發(fā)明實施例1所述工藝滲硼后的樣品的XRD圖譜；其中，實心圓形表示鈦基體，實心方塊表示二硼化鈦，實心三角形表示一硼化鈦；
圖2為按本發(fā)明實施例1所述工藝滲硼后的樣品斷面的SEM圖3為按本發(fā)明實施例1所述工藝滲硼后的樣品的EDS圖譜；
圖4為按本發(fā)明按實施例2所述工藝進行滲硼，以不同試樣在同一溫度下保溫不同時間所得樣品的XRD圖譜；其中，實心圓形表示鈦基體，實心方塊表示二硼化鈦，實心三角形表示一硼化鈦；
圖5、6、7、8為按本發(fā)明實施例2所述工藝滲硼后的樣品的SEM圖9為按本發(fā)明實施例3所述工藝滲硼后的樣品的SEM圖
圖10為按本發(fā)明實施例3所述工藝滲硼后的樣品的XRD圖譜與標準卡的對比圖； 其中，實心橢圓表示一硼化鈦，實心方塊表示鈦基體，實心三角形表示二硼化鈦；
圖11為按本發(fā)明實施例4所述工藝滲硼后的樣品的SEM圖12為按本發(fā)明實施例4所述工藝滲硼后的樣品的XRD圖譜；其中，實心方塊表示二硼化鈦，實心三角形表示一硼化鈦；
圖13為按本發(fā)明實施例5所述工藝滲硼后的樣品的XRD圖譜；其中，實心方塊表示二硼化鈦，實心圓形表示鈦基體；
圖14為按本發(fā)明實施例5所述工藝滲硼后的樣品的SEM圖15為按本發(fā)明實施例6所述工藝滲硼后的樣品的SEM圖16為按本發(fā)明實施例6所述工藝滲硼后的樣品的XRD圖譜；其中，實心方塊表示鈦基體，實心圓形表示一硼化鈦，實心三角形表示二硼化鈦。
具體實施方式
下面以具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不局限于這些實施例。
實施例1
滲硼劑組成28%Na2B4O7,20% H3BO3^ 17% B4CU5% KCl,18% NaCl,2% KBF40
滲硼工藝首先將鈦合金板線切割成15mm*15mm*3mm(長*寬*厚)的型材，然后用150號砂紙將型材粗磨拋光，再依次用600號、800號和1200號的砂紙細磨拋光，再用絨布拋光，以上述經(jīng)拋光處理后的型材為試樣，然后按以下步驟處理
1)按上述滲硼劑配方稱取各組分，置于行星球磨機球磨lh，過150目篩后，于 130°C條件下烘干，備用；
2)對試樣表面進行預處理，包括
A、將試樣置于80°C的除油液中浸泡lOmin，除油液的配方為每升水中含有15g氫氧化鈉、22g碳酸鈉、60g磷酸和IOg硅酸鈉；
B、從除油液中取出試樣，然后放入浸濁液中的浸泡時間5min，浸濁液由2. 0% (ν/ν)氫氟酸溶液和20% (ν/ν)硝酸溶液按1 1的體積比混合組成；
C、從浸濁液中取出試樣，用去離子水沖洗，晾干待用；
3)滲硼處理將烘干的滲硼劑裝入石墨坩堝中壓實并將石墨坩堝置于電阻爐(高溫進式爐)中，加熱至滲硼劑熔化，將經(jīng)過步驟幻處理后的試樣浸入滲硼劑熔體液面以下 2cm,于900°C保溫池，之后將試樣從滲硼劑熔體中取出，隨即浸入去離子水中進行淬火；
4)滲硼后處理將冷卻后的試樣置于100°C去離子水超聲波洗去表面的剩余的硼化物和氯化物殘渣，烘干。
取樣品進行表征檢測
經(jīng)X射線衍射分析儀(XRD)檢測，XRD圖譜(如圖1所示)顯示樣品表面滲硼層分別含有一硼化鈦和二硼化鈦，其中，實心圓形表示鈦基體，實心方塊表示二硼化鈦，實心三角形表示一硼化鈦。
經(jīng)掃描電鏡(SEM)檢測，滲硼層分層明顯，界面清晰，一硼化鈦層的厚度大約為 34. 5微米，二硼化鈦層厚度為43. 5微米，樣品的SEM圖譜如圖2所示。
對樣品表面進行EDS分析，所得數(shù)據(jù)如下述表1所示，樣品的EDS圖譜如圖3所示。
表1
權利要求
1.金屬鈦表面滲硼用滲硼劑，按質量百分比由以下組分組成Na2B4OH3BO3B4CKClNaClKBF4。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬鈦表面滲硼用滲硼劑，其特征在于各組分的質量百分比為
3.采用權利要求1所述的滲硼劑對金屬鈦表面滲硼的滲硼工藝，其特征在于包括以下步驟1)配制滲硼劑按配比量稱取各組分，混勻，得到滲硼劑，烘干備用；2)對金屬鈦樣品表面進行預處理；3)滲硼處理將烘干的滲硼劑裝入石墨坩堝并將石墨坩堝置于電阻爐中，加熱至滲硼劑熔化，將鈦樣品浸入滲硼劑熔體，于850 950°C條件下保溫0. 5 池，將鈦樣品從滲硼劑熔體中取出，置于淬冷劑中淬火，即在鈦樣品表面制得滲硼層。
4.根據(jù)權利要求3所述的滲硼工藝，其特征在于步驟幻中，鈦樣品浸入滲硼劑熔體液面以下1 2cm。
5.根據(jù)權利要求3所述的滲硼工藝，其特征在于步驟3)中，所述保溫的時間為1 2h。
6.根據(jù)權利要求3、4或5所述的滲硼工藝，其特征在于步驟；3)中，所述的淬冷劑為Na2B4OH3BO3B4CKClNaClKBF4水或硅油。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬鈦表面滲硼用滲硼劑及其制備方法。所述的滲硼劑按質量百分比由以下組分組成Na2B4O720～35％；H3BO310～20％；B4C10～20％；KCl15～25％；NaCl15～25％；KBF41～5％。本發(fā)明所述滲硼工藝先是將金屬鈦樣品置于特定組成的滲硼劑熔體中，保溫一定時間使金屬鈦樣品表面形成滲硼層，然后再通過淬火操作對滲硼層進行固化，以在金屬鈦樣品表面得到厚且均勻、硬度高、結合力好的滲硼層，且金屬鈦樣品表面的熔鹽易處理。本發(fā)明所述滲硼工藝操作簡單易控，滲硼劑損失少；操作時間短，能耗低，適合工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號C23C8/42GK102517542SQ201110422508
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權日2011年12月16日
發(fā)明者任孟德, 李慶余, 王紅強, 趙欣, 鄭鋒華, 黃有國 申請人:廣西師范大學