专利名称：一种q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法
技术领域：
本发明涉及一种Q345钢的强化加工方法，特别是涉及采用镍包铝粉末为催化剂，获得Q345强化层的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法。
背景技术：
Q345钢广泛地应用于工程机械的挖掘头、铲斗和履带等部位，在使用过程中，零部件承受反复的冲击载荷，磨料磨损是其主要的失效形式之一。因此，提高Q345钢材的耐磨性是延长零部件使用寿命的关键。改善Q345钢的摩擦磨损性能主要有两种方式，一是在合金钢中加入适量的微量元素，另一种方式是通过表面渗金属强化或者表面热处理和表面涂层强化。前种方式可以从材料的本质上改善其机械强度和摩擦磨损性能，但是需要外委生产，成本较高。后种方式对材料表层硬度和耐磨性改善较大，经济有效，但同时存在内应力 高、表层裂纹多、易剥落等缺陷。中国专利CN1065689公开一种钢铁表面渗硼工艺，以碳氮共渗液为基盐，是一种以渗硼为主的硼-碳-氮三元共渗新工艺。中国专利CN102051572A公开一种钢件的表面渗硼处理方法，该方法依次包括下列步骤1.物料配比无水硼砂为88%, Na2CO3为10%,碳化娃为12%,以上配比为质量百分t匕，总量根据钢件的大小及形状，以熔化后形成的熔池能淹没钢件为宜；2.物料熔化及溶池形成首先将无水硼砂放入一不锈钢容器内，加热到650°C，然后加入SiC粉进行搅拌，待硼砂完全熔化，溶池温度达到800°C时，再加入Na2CO3，加强搅拌到溶池温度达到930°C，将需要渗硼的钢件放置入硼砂浴中渗硼，溶池温度保持930°C恒温，时间大于3h ；3.取出钢件，自然冷却到常温，然后对钢件进行淬火-回火-修磨处理，方可使用。中国专利CN1699617公开一种低碳钢表面低温渗硼工艺方法，先对钢表面进行纳米化，随后进行等离子低温渗硼。工艺步骤(I)首先在渗硼之前采用表面机械研磨法对低碳钢表面进行纳米化处理；(2)将纳米化后的低碳钢试样放于等离子热处理炉内，抽真空，使炉内真空度达40Pa;然后打开电源输入电压电流以产生电极间离子辉光进行加热；与此同时通入B(OCH3)3渗硼剂，并且通入Ar与H2的混合气体；工作电压为800 1200V ;送入混合气体的气压为400 IOOOPa ;等离子渗硼热处理温度为500 650°C，在此温度下保温4 8h，随炉冷却至室温，最后可得表面渗硼的低碳钢，其渗层主要为Fe2B晶相，硬度为HV1700 2100。刘建建等(刘建建，陈祝平，杨光，许跃东.Q345B钢膏剂渗硼工艺的试验研究[J].热加工工艺，2011，40(24) :209-211)阐述了利用炉中加热方式对Q345B钢进行渗硼。实验所用基体材料为Q345B钢，试件尺寸为20mmX20mmX IOmm块体，膏剂渗硼剂碳化硼，氧化硼，氟硼酸钾，无水碳酸钠，碳化硅，糊精粉。保护层水玻璃和耐火土。其工艺为将渗硼剂剂按照要求的厚度均匀地涂抹在试件表面，在100 150°C炉中烘干Ih后涂上保护层，之后入炉按照要求的温度和时间进行渗硼。膏剂厚度6_，渗硼温度900°C，渗硼时间7h。出炉后空冷至室温。硼化物呈连续针齿状(或指状)，以长短不齐的方式楔入基体，与基体结合牢固，但表层存在疏松、孔洞等缺陷。渗层厚度达88 μ m，硬度为HV1700。刘建建等(刘建建，陈祝平，杨光，许跃东，谭海波，池阔.稀土对Q345钢渗硼层的影响及其催渗工艺研究[J].表面技术，2012，41 (I) 86-88)阐述了利用炉中加热方式对Q345钢进行渗硼过程中添加氧化铈稀土。所用试件为Q345钢，试件尺寸为20mmX20mmX10mm块体，渗硼所用设备为S2-4-10箱式电阻炉。渗硼剂中氧化铈稀土的添加量分别为2%，5%和8% (质量分数)，试验采用单一因素变量，工艺条件为渗硼温度900°C，渗硼时间5h，膏剂涂层厚度6mm。硼化物呈连续针齿状，以长短不齐的方式楔入基体，与基体结合牢固。结果显示，加入2%稀土的渗硼层表层组织更加致密，孔洞少，针齿状明显，渗层厚度可达107 μ m,硬度最高为HV1800。
发明内容
本发明的目的是提供以镍包铝粉末为催化剂，经感应渗硼加热工艺，生产表层硬 度高，表层与基体结合力强，基体组织性能获得改善的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法。本发明包括以下步骤I)在Q345钢表面涂抹硼膏剂层，在硼膏剂层外面涂抹保护剂层，风干后再烘干；所述硼膏剂的原料组成为渗硼剂、镍包铝粉末和水；2)将烘干后的样品放在超音频感应设备中进行感应加热处理；3)在感应加热处理渗硼后，将样品冷却后清理表面，并将样品表面粗磨，即完成对Q345钢的镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化。在步骤I)中，所述Q345钢表面可先预处理，所述预处理的方法是将Q345钢试样精车之后进行清洗，去除表面的油溃和锈迹，再用W40号金相砂纸将试样表面磨光；所述渗硼剂的原料组成包括碳化硼、氧化硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉；按质量比所述碳化硼、氧化硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉的配比可为(10 15) : (15 20) : (I 5) : (10 15) (55 60) (5 10);所述渗硼剂、镍包铝粉末和水的质量比可为(69 94) (5 30) : I ;所述保护剂的原料组成包括水玻璃和耐火土，按质量百分比所述水玻璃为50% 70%，余量为耐火土 ；所述镍包铝粉末中，按质量百分比镍含量^ 80%，余量为水，铝不为O ;所述硼膏剂层的厚度可为3 5mm ;所述保护剂层的厚度可为
O.I O. 2mm ;所述烘干的温度可为100 120°C，所述烘干的时间可为2h。在步骤2)中，所述感应加热处理的条件可为感应加热功率1500 4000W，有效感应加热时间2 8min,感应圈和试样之间的间隙10 25mm。在步骤3)中，所述冷却可放在空气中冷却；所述粗磨可将样品表面用金相粗砂纸进行粗磨。如果需观察渗层情况，可经过切割，镶嵌，再粗磨到表面平整后放在抛磨机上进行抛磨，然后对试样进行腐蚀。腐蚀剂可米用苦味酸钠，成分为苦味酸、NaOH和H2O,苦味酸、似0!1和!120按质量比I : 5 20的比例，保持在不透明的封闭容器内，浸蚀温度为35 40°C，时间为30s左右。本发明采用镍包铝粉末作为催化剂，含量>5%，与成分为碳化硼、氧化硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅、糊精粉的渗硼剂和水混合，保护剂层采用水玻璃和耐火土，通过感应加热，获得30 μ m左右的渗硼层厚度，渗硼层显微硬度在850 1400HV。本发明显示镍包铝粉末使渗硼层组织更加致密，牙齿状结构与机体结合更好。本发明对比常见以稀土为催化剂的渗硼工艺，可以更为有效地强化Q345钢基体。本发明工艺原理是用精车打磨后的Q345钢材样品，经涂覆、风干、烘干、加热渗硼、清理表面、打磨等工艺，使表层和基体硬度均获得大的提高，最终获得表层和基体硬度均提高，适用于磨损严重工况的Q345钢材。
图I为硼膏剂中镍包铝粉末添加量为5% (质量分数)渗硼后的显微组织图。图2为硼膏剂中镍包铝粉末添加量为18% (质量分数)渗硼后的显微组织图。
图3为硼膏剂中镍包铝粉末添加量为30% (质量分数)渗硼后的显微组织图。
具体实施例方式实施例I :按如下步骤实施。I、备料工艺(I)采用014mmX30mm圆棒料，精车之后对试样进行清洗，再用W40号金相砂纸金相将试件表面磨光，Q345钢化学成分如表I。表1Q345钢的化学成分表(质量分数，%)
儿尜C Mn Si PS- ；V!,i;0.18 1.15 0.41 0.016 0.0096(2)准备渗硼剂，其组分包括碳化硼，氧化硼，氟硼酸钾，无水碳酸钠，碳化硅，糊精粉；按质量比所述碳化硼、氧化硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉的配比为10 15 I 10 54 10。(3)镍包铝粉末，含镍80%，铝20%。(4)准备保护剂层成分为水玻璃和耐火土按照质量比5 5配比。硼膏剂制备用渗硼剂94g、镍包铝粉末5g，水Ig混兑均匀成为硼膏剂，将硼膏剂按照要求的厚度均匀地涂抹到试样表面上，膏剂厚度5mm，涂敷硼膏剂后，在阴凉处风干5h左右，之后在100°C炉中烘干2h，再涂覆保护剂层O. 1_。2、感应渗硼将烘干渗硼层后的样品放在感应器进行感应加入处理，感应加热功率4000W，有效感应加热时间2min,感应圈和试样之间的间隙10_。3、清理表面在感应加热渗硼后，将试样放在空气中冷却后清理表面，再用金相粗砂纸对试样表面进行粗磨即可。如果想观察渗层情况，可经过切割，镶嵌，再粗磨到表面平整后放在抛磨机上进行抛磨，然后对试样进行腐蚀。腐蚀剂为苦味酸钠，成分为苦味酸，NaOH, H2O按照1:5: 20的比例，保持在不透明的封闭容器内，浸蚀温度为35 40°C，时间为30s左右。按上述工艺及控制参数实验结果，经检测含有如表2硬度测试报告和图I所示的显微组织图。
表2不同镍包铝含量，样品沿表层向里硬度值/HV
权利要求
1.一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于包括以下步骤 1)在Q345钢表面涂抹硼膏剂层，在硼膏剂层外面涂抹保护剂层，风干后再烘干；所述硼膏剂的原料组成为渗硼剂、镍包铝粉末和水； 2)将烘干后的样品放在超音频感应设备中进行感应加热处理； 3 )在感应加热处理渗硼后，将样品冷却后清理表面，并将样品表面粗磨，即完成对Q345钢的镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化。
2.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述Q345钢表面先预处理，所述预处理的方法是将Q345钢试样精车之后进行清洗，去除表面的油溃和锈迹，再用金相砂纸将试样表面磨光。
3.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述渗硼剂的原料组成包括碳化硼、氧化硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉；按质量比所述碳化硼、氧化硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉的配比为(10 15) (15 20) (I 5) (10 15) (55 60) (5 10)。
4.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述渗硼剂、镍包铝粉末和水的质量比为(69 94) (5 30) I。
5.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述保护剂的原料组成包括水玻璃和耐火土，按质量百分比所述水玻璃为50% 70%，余量为耐火土。
6.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述镍包铝粉末中，按质量百分比镍含量> 80%，余量为水，铝不为O。
7.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述硼膏剂层的厚度为3 5mm ;所述保护剂层的厚度为O. I O. 2mm。
8.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤I)中，所述烘干的温度为100 120°C，所述烘干的时间为2h。
9.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤2)中，所述感应加热处理的条件为感应加热功率1500 4000W，有效感应加热时间2 8min,感应圈和试样之间的间隙10 25mm。
10.如权利要求I所述的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，其特征在于在步骤3)中，所述冷却是放在空气中冷却；所述粗磨可将样品表面用金相粗砂纸进行粗磨。
全文摘要
一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法，涉及一种Q345钢的强化加工方法。提供以镍包铝粉末为催化剂，经感应渗硼加热工艺，生产表层硬度高，表层与基体结合力强，基体组织性能获得改善的一种Q345钢镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化方法。在Q345钢表面涂抹硼膏剂层，在硼膏剂层外面涂抹保护剂层，风干后再烘干；所述硼膏剂的原料组成为渗硼剂、镍包铝粉末和水；将烘干后的样品放在超音频感应设备中进行感应加热处理；在感应加热处理渗硼后，将样品冷却后清理表面，并将样品表面粗磨，即完成对Q345钢的镍包铝粉末催化感应加热渗硼强化。可以更为有效地强化Q345钢基体，适用于磨损严重工况的Q345钢材。
文档编号C23C8/70GK102899605SQ20121041814
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者杨光, 皮钧, 陈祝平, 朱飞勇 申请人:集美大学