專利名稱：基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑及滲硼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學熱處理技術(shù)，尤其是一種固體粉末滲硼劑及其滲硼工藝，具體地說是一種基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑及滲硼方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，鈦金屬是一種綜合性能極其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)異特性，已廣泛應用于航空航天、石油化工、汽車制造和生物醫(yī)學等領(lǐng)域。然而，鈦金屬亦有其不可忽略的弊端如硬度低、耐磨 性差、摩擦系數(shù)高等，極大地限制了其應用范圍。鈦的硼化物是一種硬度高、導熱性好、電阻率低的陶瓷材料，通過滲硼處理在鈦金屬表面形成一層鈦的硼化物，是提高鈦金屬表面硬度、改善耐磨性的有效手段之一。固體粉末滲硼是一種常用的滲硼方法。大量研究表明，固體粉末滲硼時，添加稀土可有效催滲，其催滲機理是稀土元素具有強烈的化學活性，有利于破壞硼、碳元素在各自化合物中的化學鍵，從而生成大量的活性B原子，加速滲劑的分解，加快滲層的生長速度。公開號為CN 101608295A的發(fā)明專利，提出了一種氧化鈰催化的固體粉末滲硼劑，該滲硼劑按質(zhì)量百分比為92% 98%碳化硼和2% 8%氧化鈰，并通過將滲件與滲劑在模具中壓制成型的工藝防止鈦合金高溫氧化，該發(fā)明專利無需真空或者惰性氣體的保護，但其尚存在所制得的滲硼層較薄、滲速較慢等不足。由此可見，到目前為止，尚沒有一種優(yōu)良的適用于鈦金屬的固體粉末滲硼劑及其滲硼工藝可供使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的鈦金屬表面滲硼技術(shù)普遍存在的滲速慢、滲層薄、表面質(zhì)量差等問題，發(fā)明一種能夠在提高滲速的同時獲得表面質(zhì)量好、滲層厚度大的滲硼層，而且具有良好的可操作性和優(yōu)良的經(jīng)濟性的基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑，同時提供相配套的滲硼方法。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑，其特征是它主要由碳化硼、氧化鑭和碳化硅組成，其中碳化硼的質(zhì)量百分比為15% 30%，氧化鑭的質(zhì)量百分比為3% 6%，其余為碳化硅，各組份的百分比之和為100%。所述的碳化硼、氧化鑭和碳化硅均為微米級粉末，其平均粒徑< 10微米。所述的氧化鑭的純度不低于99%。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種基于氧化鑭催滲的鈦合金表面滲硼改性滲硼方法，其特征是
首先，按質(zhì)量百分比為碳化硼15% 30%，氧化鑭3% 6%，其余為碳化硅的比例稱取碳化硼、氧化鑭和碳化硅，碳化硼、氧化鑭和碳化硅均為平均粒徑< 10微米的微米級粉末，將稱取的粉末混合均勻后置于100°C 120°C烘箱40min 60min烘干,獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑；
然后，對鈦金屬表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬；
最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器烘干后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在950°C 1050°C的滲硼溫度下保溫5h 20h時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。所述的容器烘干溫度控制在110°C 130°C，烘干時間為30 50分鐘。 本發(fā)明的有益效果
(I)本發(fā)明提供了一種操作簡單、工藝性能優(yōu)良的鈦金屬表面氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑及其滲硼工藝。與公開號為CN 101608295A的發(fā)明專利相比，本發(fā)明無需工件和滲硼劑在模具中壓制成型就可以在空氣條件下對鈦金屬進行滲硼處理。(2)本發(fā)明能有效提高滲硼速率、增加滲層厚度，制得高硬度、高韌性的滲硼層。與公開號為CN 101608295A的發(fā)明專利相比，在相同的滲硼工藝參數(shù)下，滲硼速率增幅為200% 300%，測得外表層顯微硬度2800HV 3500HV和次表層顯微硬度700HV 1400HV與上述專利相當。(3)在相同的滲硼工藝參數(shù)下，與未添加氧化鑭的滲硼層相比，添加氧化鑭的滲硼層明顯增厚，增幅為43% ;硬度也有很大幅度的提高，增幅為34%。(4)本發(fā)明所制得的滲層具有優(yōu)良的摩擦磨損性能和很高的韌性。在球-盤式摩擦磨損試驗機上(載荷50N、轉(zhuǎn)速100r/min、時間lOmin、對磨件為直徑9. 6mm的45#淬火鋼球)進行摩擦磨損試驗，測得添加氧化鑭催滲的滲硼層平均摩擦系數(shù)約為O. 12，而未添加氧化鑭的滲硼層被磨破，表明添加氧化鑭的滲硼層具有更好的韌性和耐磨性。采用本發(fā)明所述滲硼劑及滲硼工藝，在鈦金屬表面成功制備了滲層厚、硬度高、韌性高、耐磨性能好、結(jié)合性能優(yōu)良的滲硼層。本發(fā)明具有滲速快、滲層厚、工件表面質(zhì)量好、操作工藝簡單、經(jīng)濟性能優(yōu)良，可用于工業(yè)實踐生產(chǎn)，具有廣闊的應用前景。


圖1是本發(fā)明實例一的滲硼層金相圖片。圖2是對比施例一的滲硼層金相圖片。圖3是本發(fā)明實施例一和對比例一的滲硼層的硬度分布對比圖。圖4是實施例一和對比例一的滲硼層及基體TC4鈦合金的摩擦系數(shù)曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例一。如圖1-4所示。取平均粒徑< 10微米的均為微米級粉末的碳化硼20克，氧化鑭4克，碳化硅克混合均勻后置于110°c烘箱烘干50min，獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑；
然后，對基體材料為TC4的鈦合金表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬；最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器加熱到120°C，烘干40分鐘后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在1050°C的滲硼溫度下保溫20h時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。經(jīng)金相顯微鏡檢測其滲硼層厚度為55. 65 μ m (圖1 )，與未添加氧化鑭滲硼層厚度(圖2)相比增加了 43% ;滲硼層與基體結(jié)合緊密，沒有裂紋和孔洞出現(xiàn)；外表層顯微硬度2800HV 3200HV，次表層顯微硬度為700HV 1400HV，較之添加氧化鑭滲硼層相比增加了43% (圖3);耐磨性及韌性也顯著高于未添加氧化鑭滲硼層和基體TC4鈦合金(圖4)。 實施例二。取平均粒徑< 10微米的均為微米級粉末的碳化硼15克，氧化鑭3克，碳化硅82克混合均勻后置于100°c烘箱烘干40min，獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑；
然后，對基體材料為TC4的鈦合金表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬；最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器加熱到120°C，烘干40分鐘后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在1000°C的滲硼溫度下保溫IOh時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。經(jīng)金相觀察和性能檢測，所制的滲硼層厚度及性能均與實施例一類似。實施例三。取平均粒徑< 10微米的均為微米級粉末的碳化硼25克，氧化鑭5克，碳化硅70克混合均勻后置于120°C烘箱烘干60min，獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑；
然后，對基體材料為TC4的鈦合金表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬；最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器加熱到130°C，烘干50分鐘后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在1000°C的滲硼溫度下保溫IOh時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。經(jīng)金相觀察和性能檢測，所制的滲硼層厚度及性能均與實施例一類似。實施例四。取平均粒徑< 10微米的均為微米級粉末的碳化硼30克，氧化鑭6克，碳化硅64克混合均勻后置于110°c烘箱烘干45min，獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑；
然后，對基體材料為TC4的鈦合金表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬；最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器加熱到115°C，烘干45分鐘后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在950°C的滲硼溫度下保溫5h時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。經(jīng)金相觀察和性能檢測，所制的滲硼層厚度及性能均與實施例一類似。實施例五。取平均粒徑< 10微米的均為微米級粉末的碳化硼20克，氧化鑭4克，碳化硅76克混合均勻后置于110°c烘箱烘干50min，獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑；
然后，對基體材料為TA2的鈦合金表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬；最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器加熱到120°C，烘干40分鐘后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在1050°C的滲硼溫度下保溫20h時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。經(jīng)金相觀察和性能檢測，所制的滲硼層厚度及性能均與實施例一類似。對比例一。基體材料為TC4鈦合金，所采用的固體粉末滲硼劑由20克的碳化硼和80克的碳化硅組成；在1050°C下保溫20h進行滲硼處理后，即在鈦金屬表面制得滲硼層。經(jīng)金相顯微鏡檢測可得滲層厚度為29. 4 μ m (圖2)，其硬度和耐磨性均較實施例二所述差很多(圖3和圖4)。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑，其特征是它主要由碳化硼、氧化鑭和碳化硅組成，其中碳化硼的質(zhì)量百分比為15% 30%，氧化鑭的質(zhì)量百分比為3% 6%，其余為碳化硅，各組份的百分比之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑，其特征是所述的碳化硼、氧化鑭和碳化硅均為微米級粉末，其平均粒徑< 10微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑，其特征是所述的氧化鑭的純度不低于99%。
4.一種基于氧化鑭催滲的鈦合金表面滲硼改性滲硼方法，其特征是 首先，按質(zhì)量百分比為碳化硼15% 30%，氧化鑭3% 6%，其余為碳化硅的比例稱取碳化硼、氧化鑭和碳化硅，碳化硼、氧化鑭和碳化硅均為平均粒徑< 10微米的微米級粉末，將稱取的粉末混合均勻后置于100°C 120°C烘箱40min 60min烘干,獲得鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑； 然后，對鈦金屬表面進行粗化和清洗，獲得表面預處理后的鈦金屬； 最后，將表面預處理后的鈦金屬和所制好的鈦金屬表面改性用氧化鑭催滲的固體粉末滲硼劑一起放入滲硼容器，滲硼劑需完全覆蓋表面預處理后的鈦金屬，給容器加蓋后用高溫密封膠將蓋與容器的間隙密封，再將容器烘干后放入電阻爐內(nèi)進行滲硼，在950°C 1050°C的滲硼溫度下保溫5h 20h時間后取出容器空冷，即可在鈦金屬表面制得滲硼層，從而改善鈦合金表面的硬度和耐磨性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的容器烘干溫度控制在110°C 130°C，烘干時間為30 50分鐘。
全文摘要
一種基于氧化鑭催滲的鈦合金表面改性用固體粉末滲硼劑及滲硼方法，其特征是它主要由碳化硼、氧化鑭和碳化硅組成，其中碳化硼的質(zhì)量百分比為15%～30%，氧化鑭的質(zhì)量百分比為3%～6%，其余為碳化硅,各組份的百分比之和為100%。滲硼的關(guān)鍵工藝參數(shù)為滲硼溫度950℃～1050℃、滲硼保溫時間5h～20h。采用本發(fā)明所述滲硼劑及滲硼工藝，在鈦金屬表面成功制備了滲層厚、硬度高、韌性高、耐磨性能好、結(jié)合性能優(yōu)良的滲硼層。本發(fā)明具有滲速快、滲層厚、工件表面質(zhì)量好、操作工藝簡單、經(jīng)濟性能優(yōu)良，可用于工業(yè)實踐生產(chǎn)，具有廣闊的應用前景。
文檔編號C23C8/68GK103014604SQ201310001730
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者許曉靜, 王宏宇, 劉云輝, 杜舉才, 徐巍 申請人:江蘇大學