一種新型低溫固體滲硼活化劑的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為：氟硼酸鉀12.6-17.2份，冰晶石(Na5AlF6)35.8-40.4份、氟化鈣(CaF2)23.0-27.6份，尿素14.8-19.4份。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1、共滲后工件變形更小、無相變、無內應力、極大推動在精密件上的應用。2、低溫共滲層更厚，約為24～46μm，應用領域廣。3、低溫固體滲硼中硼原子活性增強、擴散速率提高、經(jīng)濟性好。
【專利說明】一種新型低溫固體滲硼活化劑
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低溫活化劑，具體地說是一種新型低溫固體滲硼活化劑。
【背景技術】
[0002]目前，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表面強化技術。滲硼層具有硬度高、耐蝕性、耐磨性好和抗高溫氧化性的優(yōu)良特點，因此它廣泛應用于各種材料，包括有色金屬、黑色金屬和各種合金。
[0003]目前，固體滲硼主要是高溫滲硼(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，與基體結合不牢，容易剝落；鑒于高溫滲硼存在以上不足，為降低成本，減少工件變形，拓寬滲硼工藝的廣泛應用，目前，國內外學者、專家主要在低溫多元滲硼上的研究較為成熟。
[0004]所謂的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。對一些結構復雜、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，已成為滲硼技術的補充和發(fā)展。為大大提高硼原子在低溫下的活性，提高硼原子低溫下的擴散速率，目前，國內為專家學者主要是在低溫滲硼劑中活化劑成分含量上做了大量的研究，主要采用氟硼酸鈉、氟硼酸鉀、尿素、氟化鈉、氯化銨等為活化劑，國內科研院校學者、專家積極開展此項研究，例如 :山東大學、國防科技大學、武漢科技大學、佳木斯大學、山東農業(yè)大學、山東建筑大學。研究結果表明:采用各種不同的活化劑，其共滲最低溫度只能控制在650°C，且共滲層不連續(xù)、脆性較大、易脫落、厚度較淺(一般為5μπι-10μπι)。針對目前的研究狀況，山東建筑大學材料學院表面科學技術課題組逐步在活化劑成分含量上開展工作，效果明顯。
[0005]中國專利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，其中共滲劑成分中活化劑為氟硅酸鈉，重量比為15.5-16份，共滲溫度為680°C，保溫4小時。工件經(jīng)上述工藝共滲冷卻后，得到相對單一 Fe2B滲層，但共滲層較淺；同時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合性。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種滲前碾壓處理低溫多元滲硼后工件變形小、無相變、無內應力、共滲層較深、較為連續(xù)、脆性較小、與基體結合牢固、工件耐磨性較好，同時得到單一 Fe2B共滲層的新型低溫固體滲硼活化劑。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
[0008]一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀12.6-17.2份，冰晶石(Na5AlF6) 35.8-40.4 份、氟化鈣(CaF2) 23.0-27.6 份，尿素 14.8-19.4 份。
[0009]一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀12.6份，冰晶石(Na5AlF6) 35.8 份、氟化鈣(CaF2) 23.0 份，尿素 14.8 份。[0010]一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀16.6份，冰晶石(Na5AlF6) 38.9 份、氟化鈣(CaF2) 25.8 份，尿素 18.7 份。
[0011]一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀16.4份，冰晶石(Na5AlF6) 39.2 份、氟化鈣(CaF2) 26.6 份，尿素 17.8 份。
[0012]一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀17.2份，冰晶石(Na5AlF6) 40.4 份、氟化鈣(CaF2) 27.6 份，尿素 19.4 份。
[0013]使用該活化劑的共滲劑共滲工藝，包括工件滲前碾壓處理、活化劑配制、活化劑粉碎處理、共滲劑配制、工件裝箱、硼鉻稀土共滲步驟。
[0014]低溫固體滲硼活化劑提高硼原子活性和擴散速率的機理分析
[0015]為拓寬碳鋼在精密器件上的應用，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，采用滲前碳鋼表面碾壓處理，經(jīng)碾壓處理后的碳鋼表面晶粒達到納米級，晶粒細小，晶界增多，這樣為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；同時經(jīng)碾壓處理后碳鋼表面存在大量的缺陷，例如:位錯、孿晶等，而且位錯密度很高，這些表面的缺陷能夠在硼鉻稀土共滲過程中降低擴散激活能，加快硼原子的擴散；同時碳鋼經(jīng)碾壓處理后表面硬度顯著提高，降低了基體與共滲層之間的硬度梯度，改善了共滲層的脆性，增強了共滲層與基體的結合性。
[0016]碳鋼硼鉻稀土低溫共滲，活化劑為氟化鈣時共滲層比較淺，約為6~ΙΟμπι，很難滿足生產(chǎn)需要；活化劑為尿素時共滲層也比較淺，約為5.6~10 μ m，且共滲層存在黑色夾層；活化劑為冰晶石時共滲效果明顯優(yōu)于氟化鈣和尿素，其共滲層約為13~26 μ m，但活化效果遠低于混合型活化劑。
[0017]作為活化劑氟硼酸鉀的活化性較好，這是因為氟硼酸鉀的熔點高，熔點為530°C，在較低的溫度下容易分解，并能保持一定的分解速度。
[0018]冰晶石作為活化劑，由于冰晶石的熔點較高，大于1000°C。在共滲溫度下共滲劑保持半熔融狀態(tài)，而這種狀態(tài)下的活化劑能夠更好地發(fā)揮活化能力。同時冰晶石熔點高，高熔點的活化劑活化效果比較好。此外在硼鉻稀土共滲過程中，冰晶石分解為NaF和AIF3,而NaF和AIF3又通過一系列化學反應都能夠產(chǎn)生活性硼原子，相同含量活化劑的情況下冰晶石的活化性能比氟化鈣的活化性能要好。用石墨為填充劑，雖降低了成本，但石墨質輕，潤滑性好，致使制作滲硼劑時很難攪拌均勻，制作和使用過程中粉塵大，勞動條件差，且污染較重。以三氧化二鋁為填充劑，由于三氧化二鋁具有強吸附力和催化活性，在共滲過程中可以吸附水蒸氣，降低共滲層的疏松，同時還具有一定的催化活性，可做催化劑，進一步提高滲劑的活性，具有一定的催滲作用。
[0019]氟化鈣作為活化劑，除了和硼砂、硼鐵和Si直接反應生成活性硼原子外，反應中生成的BF2氣體還可以通過分解反應繼續(xù)放出活性硼原子，供硼能力較大。分解反應放出的BF3氣體還能回到滲劑中，通過反應生成BF2，經(jīng)過這樣的反應循環(huán)，滲劑中BF3和BF2的量保持不變，因而隨著滲硼的進行，雖然活化劑的含量在不斷地減少，但BFjP BF2的量保持不變，可源源不斷的為滲硼提供活性硼原子，使?jié)B劑長時間保持催硼活力。
[0020]尿素在共滲時受熱后分解出的H2和CO可以使去除試樣表面的氧化膜，使試樣表面得到凈化，其分解產(chǎn)生的活性氮原子〔N〕優(yōu)先滲入試樣表面起到硼氮共滲的作用。
[0021] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點:[0022]1、共滲后工件變形更小、無相變、無內應力、極大推動在精密件上的應用。
[0023]2、低溫共滲層更厚，約為24~46 μ m，應用領域廣。
[0024]3、低溫固體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】
[0025]圖1是20鋼碾壓后經(jīng)600°C X6h共滲層的組織形貌圖；
[0026]圖2是20鋼碾壓后經(jīng)650°C X 6h共滲層的組織形貌圖；
[0027]圖3是45鋼碾壓后經(jīng)600°C X 6h共滲層的組織形貌圖；
[0028]圖4是45鋼碾壓后經(jīng)650°C X 6h共滲層的組織形貌圖；
【具體實施方式】 [0029]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0030]實施例1:一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀12.6份，冰晶石(Na5AlF6) 35.8份、氟化鈣(CaF2) 23.0份，尿素14.8份。
[0031]對20號鋼試樣進行滲前碾壓處理，碾壓處理參數(shù)為4Mpa和1600r/min，然后在6000C X6h條件下進行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進行觀察。其工藝過程如下:
[0032]1.對工件進行滲前碾壓處理
[0033]工件在4Mpa和1600r/min下碾壓，碾壓時間60min。
[0034]2.活化劑配制
[0035]活化劑按照上述比例進行配制，配制過程如下:
[0036]a.將冰晶石、氟化鈣粉碎成120目；
[0037]b.將a中各活化劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0038]c.將烘干后的活化劑進一步粉碎；
[0039]3.共滲劑配制
[0040]按照共滲劑的比例配制。
[0041]4.裝箱
[0042]在滲劑中添加氟硼酸鉀、尿素等剩余活化劑，將混合均勻的共滲劑裝入滲箱內。
[0043]5.硼-鉻-稀土共滲
[0044]碾壓處理后的工件表面埋入填充共滲劑的滲箱里，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應大于或等于20mm ;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，然后出爐空氣冷卻。
[0045]如圖1所示，20鋼經(jīng)600°C X6h硼鉻稀土共滲，共滲層組織致密、齒狀不明顯、較為均勻、厚度為28μπι-32μπι，顯微硬度范圍為1200-1800HV，硬度最大值出現(xiàn)在次外層。
[0046]實施例2:—種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀16.6份，冰晶石(Na5AlF6) 38.9份、氟化鈣(CaF2) 25.8份，尿素18.7份。
[0047]對20號鋼試樣進行滲前碾壓處理，碾壓處理參數(shù)為4Mpa和1600r/min，然后在6500C X6h條件下進行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進行觀察。其工藝過程如下:
[0048]1.對工件進行滲前碾壓處理
[0049]工件在4Mpa和1600r/min下碾壓，碾壓時間60min。[0050]2.活化劑配制
[0051]活化劑按照上述比例進行配制，配制過程如下:
[0052]a.將冰晶石、氟化鈣粉碎成120目；
[0053]b.將a中各活化劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0054]c.將烘干后的活化劑進一步粉碎；
[0055]3.共滲劑配制
[0056]按照共滲劑的比例配制。
[0057]4.裝箱
[0058]在滲劑中添加氟硼酸鉀、尿素等剩余活化劑，將混合均勻的共滲劑裝入滲箱內。
[0059]5.硼-鉻-稀土共滲
[0060]碾壓處理后的工件表面埋入填充共滲劑的滲箱里，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應大于或等于20mm ;滲箱用雙層水玻璃泥密封后，放置24小時；加熱爐升溫至650°C，將滲箱放入，計時保溫6小時，然后出爐空氣冷卻。
[0061]如圖2所示，20鋼經(jīng)650°C X6h硼鉻稀土共滲，共滲層組織致密、齒狀不明顯、較為均勻、厚度為34μπι-4?μπι，顯微硬度范圍為1200-1800HV，硬度最大值出現(xiàn)在次外層，不是最外層，最外層略為疏松。
[0062]實施例3:—種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀16.4份，冰晶石(Na5AlF6) 39.2份、氟化鈣(CaF2) 26.6份，尿素17.8份。
[0063]對45號鋼試樣進行滲前碾壓處理，碾壓處理參數(shù)為4Mpa和1600r/min，然后在6000C X6h條件下進行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進行觀察。其工藝過程如下:
[0064]1.對工件進行滲前碾壓處理
[0065]工件在4Mpa和1600r/min下碾壓，碾壓時間60min。
[0066]2.活化劑配制
[0067]活化劑按照上述比例進行配制，配制過程如下:
[0068]a.將冰晶石、氟化鈣粉碎成120目；
[0069]b.將a中各活化劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0070]c.將烘干后的活化劑進一步粉碎；
[0071]3.共滲劑配制
[0072]按照共滲劑的比例配制。
[0073]4.裝箱
[0074]在滲劑中添加氟硼酸鉀、尿素等剩余活化劑，將混合均勻的共滲劑裝入滲箱內。
[0075]5.硼-鉻-稀土共滲
[0076]碾壓處理后的工件表面埋入填充共滲劑的滲箱里，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應大于或等于20mm ;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，然后出爐空氣冷卻。
[0077]如圖3所示，45鋼經(jīng)600°C X6h硼鉻稀土共滲，共滲層組織致密、齒狀不明顯、較為均勻、厚度為24μπι-27μπι，顯微硬度范圍為1200-1800HV，硬度最大值出現(xiàn)在次外層，最外層疏松較厚。
[0078]實施例4:一種新型低溫固體滲硼活化劑，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀17.2份，冰晶石(Na5AlF6) 40.4份、氟化鈣(CaF2) 27.6份，尿素19.4份。
[0079]對45號鋼試樣進行滲前碾壓處理，碾壓處理參數(shù)為4Mpa和1600r/min，然后在6500C X6h條件下進行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進行觀察。其工藝過程如下:
[0080]1.對工件進行滲前碾壓處理
[0081]工件在4Mpa和1600r/min下碾壓，碾壓時間60min。
[0082]2.活化劑配制
[0083]活化劑按照上述比例進行配制，配制過程如下:
[0084]a.將冰晶石、氟化鈣粉碎成120目；
[0085]b.將a中各活化劑組分按比例配好混合均勻后在180°C烘干2小時；
[0086]c.將烘干后的活化劑進一步粉碎；
[0087]3.共滲劑配制
[0088]按照共滲劑的 比例配制。
[0089]4.裝箱
[0090]在滲劑中添加氟硼酸鉀、尿素等剩余活化劑，將混合均勻的共滲劑裝入滲箱內。
[0091]5.硼-鉻-稀土共滲
[0092]碾壓處理后的工件表面埋入填充共滲劑的滲箱里，工件與工件之間、工件與箱壁間距離應大于或等于20mm ;滲箱用雙層水玻璃泥密封后，放置24小時；加熱爐升溫至650°C，將滲箱放入，計時保溫6小時，然后出爐空氣冷卻。
[0093]如圖4所示，45鋼經(jīng)650°C X6h硼鉻稀土共滲，共滲層組織明顯致密、齒狀不明顯、較為明顯均勻、厚度為38 μ m-46 μ m,顯微硬度范圍為1200-1800HV，硬度最大值出現(xiàn)在次外層，最外層略為疏松，疏松厚度增加。
【權利要求】
1.一種新型低溫固體滲硼活化劑，其特征是，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀 12.6-17.2 份，冰晶石(Na5AlF6) 35.8-40.4 份、氟化鈣(CaF2) 23.0-27.6 份，尿素.14.8-19.4 份。
2.一種新型低溫固體滲硼活化劑，其特征是，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀12.6份，冰晶石(Na5AlF6) 35.8份、氟化鈣(CaF2) 23.0份，尿素14.8份。
3.一種新型低溫固體滲硼活化劑，其特征是，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀16.6份，冰晶石(Na5AlF6) 38.9份、氟化鈣(CaF2) 25.8份，尿素18.7份。
4.一種新型低溫固體滲硼活化劑，其特征是，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀16.4份，冰晶石(Na5AlF6) 39.2份、氟化鈣(CaF2) 26.6份，尿素17.8份。
5.一種新型低溫固體滲硼活化劑，其特征是，其組分按質量比含量為:氟硼酸鉀17.2份，冰晶石(Na5AlF6) 40.4份、氟化鈣(CaF2) 27.6份，尿素19.4份。
【文檔編號】C23C8/68GK103938150SQ201410138925
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權日: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