专利名称：一种工件渗前冷变形的硼－铬－稀土共渗工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种形变化学热处理工艺，具体地说是一种工件渗前冷变形的硼-铬-稀土共渗工艺。
背景技术：
渗硼是近代发展起来的一种新型热处理工艺，一般指向钢铁材料中渗入硼元素，以获得铁硼化物的热处理工艺。钢经过渗硼以后，表面具有很高的硬度(可达1300～2100HV)和耐磨性，良好的抗蚀性，抗氧化性和热硬性。该工艺已逐渐成为广泛应用的表面扩散渗入处理工艺，在石油化工机械，汽车拖拉机制造，纺织机械，工模具等方面的应用日渐增多。适合渗硼的材料也十分广泛，几乎所有的钢铁材料，如结构钢、工具钢、不锈钢、灰铸铁、球墨铸铁、硬质合金等都可以进行渗硼处理。气体渗硼和离子渗硼因采用的BCl3、B2H6介质，存在价格高、剧毒、易爆等问题，未能用于生产。液体渗硼由于所用坩埚使用寿命短，工件表面粘盐不易清理及质量较难控制等问题，其应用在一定程度上受到限制。从上世纪70年代开始，人们开始重视固体渗硼。
与其它化学热处理一样，渗硼也存在明显的缺点，如渗硼速度慢和渗硼层脆性大。由于渗硼一般在钢铁材料的共析温度以上进行，渗后冷却势必造成工件发生相变，使工件产生变形。这样，工件经机加工后留下的渗硼层明显变薄。渗硼层虽然硬度很高，但脆性较大。因为铁硼化合物本身是硬脆的金属化合物，加之不同硼化物之间以及硼化物与基体之间在比容和膨胀系数上的差异，易造成在承受较大冲击载荷或温度急剧变化时，产生不利的残余应力，造成深层的剥落和开裂。以上是渗硼的主要缺点，也是其应用受限的重要原因。
目前国内渗硼工艺主要应用在工作条件恶劣的工模具和易磨损的零件上，其主要目的是为了提高零部件的耐磨性和使用寿命，降低生产成本，提高经济效益。目前主要通过两个途径来达到这一目的第一，使用原来的材料通过渗硼来延长其使用寿命。第二，用廉价材料通过渗硼来替代昂贵材料。渗硼工件由工模具扩大到机器零件，由普通工件扩大到精密工件，在机械、冶金、石油、化工、轻工、煤矿、农机等行业都得到了广泛的应用，但是从大量的研究中发现，它们大多应用在尺寸要求不十分严格的工模具和易损件上，而在精密件上的应用却比较少。渗硼及其后续热处理使工件尺寸变化较大，从而严重限制了渗硼在精密件上的应用，故还需大量研究和开发加工渗硼件的新工艺，新方法及工具。总之只有较好地解决了渗硼的两个缺点，才能更广泛地扩大渗硼的应用。
随着生产中新型压力加工方法不断出现，如冷挤压、滚压、冷拔、喷丸、超塑性变形等成型工艺，形变化学热处理得到迅速发展。它以其特别的优势，如加速化学热处理动力学过程，改善渗层组织性能；大幅度提高钢铁零件抗磨损、耐疲劳等与表面强化有关的性能；节约能源，降低生产成本等，逐步为人们所重视。
发明内容
本发明为克服现有渗硼技术的不足，提供一种可以增加渗层深度和速度，抑制FeB生长，有利于Fe2B形成，且Fe2B针齿细密直长，渗层厚、脆性低、渗剂成本低，把渗前工件的冷塑性变形与硼-铬-稀土共渗结合起来的共渗工艺。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的，一种工件渗前冷变形的硼-铬-稀土共渗工艺，先对工件进行喷丸处理，再将配制好的粉末状或颗粒状的硼-铬-稀土共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内，喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升温至840-860℃，到温入加热炉，到温后计时保温3.8-4.2小时，然后出炉空气冷却，最后对工件进行淬火和低温回火处理。
所述的对工件进行喷丸处理是采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为50-70分钟，钢丸采用直径约为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为50-70m/s。
所述的共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，共渗剂主要由工业硼砂、高碳铬铁、稀土、复合活化剂、还原剂和石墨组成，其配制过程如下a.将高碳铬铁、稀土、硅钙合金粉碎成90-110目；b.将硼砂在400-500℃脱水后碾成90-110目的粉末；c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在140-160℃烘干2-3小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在90-110℃。
形变硼-铬-稀土共渗机理分析冷塑性变形对共渗层深度、硬度和脆性的影响实验表明，形变硼-铬-稀土共渗，对共渗层组织和性能产生了极大影响，硼齿细长平直，均匀致密；渗层深度明显增加。喷丸1.5h的试样与未塑变的试样相比，共渗速度可提高28％～45％；同时渗层还保持了较高的硬度(1300～1800HV)和较低的脆性。形变引起的大量位错，为硼原子的扩散提供了有利“通道”。硼原子沿着位错进行扩散时所需要的激活能小于在点阵内扩散时的激活能；并且在位错的附近区域，原子的跃迁频率同样大于点阵内部，硼原子沿着这些“通道”更容易进行扩散。同时进入试样表层的硼原子或刚刚形成的硼化物晶核就会“钉扎”在位错线周围，对形变组织的恢复与再结晶起到阻碍作用，使其延迟或不能进行，从而加速了渗层的形成和生长。随位错密度的增加，系统中的自由焓明显增加，硼原子在晶体中的吸附和扩散速度会加快。共渗层脆性下降的原因可归结为一是Cr的溶入改善了Fe2B相的价电子空间键络分布不均匀的状况，使Fe2B相的本质脆性得以下降；二是形变共渗利于Fe2B单相的形成，从而减少了因FeB造成的微裂纹；三是过渡层增厚，硬度梯度变缓。共渗层组织和成分与单一渗硼层相比，共渗层保持有单一渗硼层的组织特征，但共渗层较为致密，表面疏松较轻，硼齿细长平直；同时，共渗层的过渡区增厚，过渡区中珠光体含量增多(45钢)，齿间组织少。经三钾试剂腐蚀后的共渗层组织观察表明，共渗层基本由(Fe，Me)2B单相组成(Me为铬和稀土元素)，深褐色的FeB相极少。微区成分分析指出铬在共渗层中基本为均匀分布，而稀土则多偏聚在晶界处。过渡区珠光体含量较多的原因是由于在相同处理条件下共渗试样的渗层厚，而碳原子又不溶于硼化物中，因此在渗层形成过程中，表层的碳原子被推移到硼齿与基体结合的部位，在此区域形成富碳区。
共渗层形成共渗层柱状晶顶端比晶粒内含有较多的稀土元素，这可能是稀土原子首先被吸附、后渗入试样表面的缘故。这是因为1.稀土原子的电负性低，非常容易失去电子，致使其活性高于铬、硼原子；2.由于稀土原子的5d和6s能级很近，在850℃高温下，稀土原子6s轨道的电子很容易向5d轨道跃迁，引起原子极化而导致原子半径减少；3.稀土原子具有独特的4f电子结构，其4f层对原子核电荷封闭不严，显示出较大的有效核电荷(特别是无4f电子结构的La和仅有2个4f电子结构Ce)。因此，可以认为稀土原子对周围电子有较强的吸引作用，结果是优先被吸附于工件表面或携带数个活性B原子和少量Cr原子被吸附。稀土原子的短程扩散(特别是通过形变引起的大量位错等缺陷处进行)引起基体点阵畸变，加剧点阵结点上Fe原子震动，促进晶体中新空位的形成。然后，B和少量Cr原子占据此空位、聚集、扩散，形成(Fe，Me)2B相，这样就会使硼化物(Fe2B)的形核数量增多，柱状晶变细变小，组织致密。
当表面共渗层连成片时，稀土原子的扩散受到阻碍，大部分随晶界渗入到渗层内部。由稀土元素在孔洞处富集的事实推测，稀土原子填充了由于铁及其它原子的内迁而形成的空位，使渗层的孔洞变小。而铬原子则按照置换方式通过共渗层，到达过渡区。硼化物对碳原子有排斥作用，共渗层中没有足够的碳与铬形成化合物，故铬原子在共渗层中基本均匀分布。由于Si，P，S等杂质元素不溶于共渗层而被推移到晶界处，稀土元素与它们有很强的亲和力，因此，稀土在沿晶界渗入的过程中，与杂质反应生成熔点高、热力学稳定的稀土化合物，减轻了杂质的有害作用。
本发明的有益效果是采用该工艺，能够改善渗层组织，在不降低渗层硬度的前提下降低了渗层脆性，同时也提高了渗层的抗磨损性能。硼-铬-稀土共渗可使渗层晶界电子分布趋于均匀化、减轻有害元素在晶界上偏聚以及容易获得低硼相，使渗层脆性下降。硼-铬-稀土共渗研究证明，采用共渗工艺能获得较深的渗层和致密的组织，且铬元素和稀土元素可固溶于Fe2B中，同时过渡层增厚，硬度梯度变缓。铬在共渗层中基本为均匀分布，而稀上则多偏聚在晶界处。
图1是喷丸1.5h、850℃×4h下的45钢试样共渗层的组织形貌图；图2是喷丸1h、850℃×4h下的45钢试样共渗层的组织形貌图；图3是无塑性变形、喷丸1h和喷丸1.5h的45钢试样在850℃×4h条件下的共渗层硬度图；图4是喷丸1.5h、850℃×4h下的T8钢试样共渗层的组织形貌图；图5是喷丸1h、850℃×4h下的T8钢试样共渗层的组织形貌图；图6是无塑性变形、喷丸1h和喷丸1.5h的T8钢试样在850℃×4h条件下共渗层硬度图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1对45号钢试样喷丸1.5小时然后在850℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察和检测。其工艺过程如下1.对工件进行喷丸处理采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为90分钟，钢丸采用直径约为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为70m/s。
2.共渗剂配制共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，粉末状或制成颗粒状共渗剂主要由工业硼砂、高碳铬铁、稀土、复合活化剂，还原剂和石墨组成；其配制过程如下a.将高碳铬铁，稀土，硅钙合金粉碎成100目；b.将硼砂在500℃脱水后碾成100目的粉末；c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在150℃烘干3小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在100℃。
3.装箱在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内。
4.硼-铬-稀土共渗喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，100℃烘干；再升温至850℃，到温入加热炉，到温后计时保温4小时，然后出炉空气冷却。
5.渗后处理渗后对工件进行淬火和低温回火处理。
实施例2对45号钢试样喷丸1小时然后在850℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，其工艺过程如下1.对工件进行喷丸处理采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为60分钟，钢丸采用直径约为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为50m/s；2.共渗剂配制共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，粉末状或制成颗粒状共渗剂主要由工业硼砂、高碳铬铁、稀土、复合活化剂、还原剂和石墨组成，其配制过程如下a.将高碳铬铁，稀土，硅钙合金粉碎成90目；b.将硼砂在400℃脱水后碾成90目的粉末；c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在140℃烘干2小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在90℃；3.装箱在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内；4.硼-铬-稀土共渗喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90℃烘干；再升温至850℃，到温入加热炉，到温后计时保温3.8小时，然后出炉空气冷却；5.渗后处理渗后对工件进行淬火和低温回火处理。
如图1、图2所示，通过室温喷丸处理，在850℃×4h下得到的渗层组织较没有塑变的渗层组织致密，硼齿细长平直且中间的夹杂较少，渗后深度在喷丸1.5h和1h时分别可达113um和100um，明显加速了渗硼速度。从图1、图2还可以看出共渗层均匀，表面疏松较轻。45钢经喷丸处理，因形变在钢中引入的位错结构对渗层形成和生长的影响可以得以解释随变形量增加，位错胞被拉长，胞壁中位错密度增大；与未变形试样比，形变试样表面因含有大量位错而使表面活化，从而加速了渗硼初期表面对硼原子的吸附过程，进入试样表层的硼原子或刚刚析出的硼化物小颗粒对形变组织的恢复或再结晶将起到阻碍作用，使其延迟或不能进行，从而加速了渗层的形成和生长。如图3所示，共渗后，渗层硬度较无塑性变形情况下稍有提高，因而保持了较高的硬度。
实施例3对T8号钢试样喷丸1.5小时，在850℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察和检测。其工艺过程如下1.对工件进行喷丸处理采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为90分钟，钢丸采用直径约为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为70m/s；2.共渗剂配制共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，粉末状或制成颗粒状共渗剂主要由工业硼砂、高碳铬铁、稀土、复合活化剂、还原剂和石墨组成；其配制过程如下a.将高碳铬铁，稀土，硅钙合金粉碎成100目；b.将硼砂在500℃脱水后碾成100目的粉末；c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在150℃烘干3小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在100℃；3.装箱在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内；4.硼-铬-稀土共渗喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，100℃烘干；再升温至850℃，到温入加热炉，到温后计时保温4小时，然后出炉空气冷却；5.渗后处理渗后对工件进行淬火和低温回火处理。
实施例4对T8号钢试样喷丸1小时，在850℃×4h条件下进行硼-铬-稀土共渗，渗后对试样进行观察和检测。其工艺过程如下1.对工件进行喷丸处理采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为60分钟，钢丸采用直径约为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为50m/s。
2.共渗剂配制共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂。粉末状或制成颗粒状共渗剂主要由工业硼砂、高碳铬铁、稀土、复合活化剂、还原剂和石墨组成，其配制过程如下a.将高碳铬铁，稀土，硅钙合金粉碎成90目；b.将硼砂在400-500℃脱水后碾成90目的粉末；c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在140℃烘干2小时。若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在90℃；3.装箱在烘干好的共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内；4.硼-铬-稀土共渗喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90℃烘干；再升温至850℃，到温入加热炉，到温后计时保温3.8小时，然后出炉空气冷却。
5.渗后处理渗后对工件进行淬火和低温回火处理。
如图4、图5所示，通过室温喷丸处理后，在850℃×4h下得到的渗层组织较没有塑变的渗层组织更加致密，硼齿细长平直且中间的夹杂较少，渗后深度在喷丸1.5h和1h时分别可达73um和60um，明显加速了渗硼速度。从图4、图5还可以看出共渗层均匀，表面疏松较轻。T8钢经喷丸处理，因形变在钢中引入的位错结构对渗层形成和生长的影响可以得以解释随变形量增加，位错胞被拉长，胞壁中位错密度增大，与未变形试样比，形变试样表面因含有大量位错而使表面活化，从而加速了渗硼初期表面对硼原子的吸附过程，进入试样表层的硼原子或刚刚析出的硼化物小颗粒对形变组织的恢复或再结晶将起到阻碍作用，使其延迟或不能进行，从而加速了渗硼层的形成和生长。如图6所示，共渗后，渗层硬度较无塑性变形情况下大致相同，因而保持了较高的硬度。
权利要求
1.一种工件渗前冷变形的硼-铬-稀土共渗工艺，其特征在于先对工件进行喷丸处理，再将配制好的粉末状或颗粒状的硼-铬-稀土共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内，喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升温至840-860℃，到温入加热炉，到温后计时保温3.8-4.2小时，然后出炉空气冷却，最后对工件进行淬火和低温回火处理。
2.根据权利要求1所述的工件渗前冷变形的硼-铬-稀土共渗工艺，其特征在于所述的对工件进行喷丸处理是采用Q3110A型喷丸机，喷丸时间为50-70分钟，钢丸采用直径约为1.4mm的铸钢球，钢球线速度为50-70m/s。
3.根据权利要求1所述的工件渗前冷变形的硼-铬-稀土共渗工艺，其特征在于所述的共渗剂是通过L18(61×36)L8(41×24)泛选、精选出的粉末状硼-铬-稀土共渗剂，共渗剂主要由工业硼砂、高碳铬铁、稀土、复合活化剂、还原剂和石墨组成，其配制过程如下a.将高碳铬铁、稀土、硅钙合金粉碎成90-110目；b.将硼砂在400-500℃脱水后碾成90-110目的粉末；c.将上述步骤a、b中各组分按比例配好混合均匀后在140-160℃烘干2-3小时；若配制成粒状，则将各组分全部按比例配出，此时烘干温度应在90-110℃。
全文摘要
本发明涉及一种工件渗前冷变形的硼－铬－稀土共渗工艺，先对工件进行喷丸处理，再将配制好的硼－铬－稀土共渗剂中加入尿素和氯化铵，混合均匀，装入渗箱内，喷丸处理后的工件表面经除油除锈，非渗部位用石墨或者石棉绳保护，渗箱底层及顶部填充共渗剂，将工件埋入填充有粉末或粒状共渗剂的渗箱里，工件与箱壁间距离应大于30mm；渗箱用双层水玻璃泥密封后，90－110℃烘干；再升温至840－860℃，到温入加热炉，到温后计时保温3.8－4.2小时，然后出炉空气冷却，最后对工件进行淬火和低温回火处理。采用该工艺，能够改善渗层组织，在不降低渗层硬度的前提下降低了渗层脆性，同时也提高了渗层的抗磨损性能。
文档编号C21D7/06GK1876896SQ20061004518
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月28日 优先权日2006年6月28日
发明者许斌, 宋月鹏, 冯承明, 邢士波, 李木森, 杨乐 申请人:山东建筑大学