一种节能高效制备单一Fe₂B渗层的技术的制作方法

专利名称：一种节能高效制备单一Fe₂B渗层的技术的制作方法
技术领域：
本发明属于对金属零件表面进行改性的技术，特指一种用于钢铁材料零件表面强化的节能高效制备单一 Fe2B相渗层的方法。
背景技术：
固体粉末法渗硼(简称粉末法渗硼)将硼元素渗入钢铁材料零件表层，形成具有很高硬度与耐磨性及一定的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力的渗硼层，从而能够提高许多在摩擦、磨损及高温氧化环境下使用的钢铁零部件的使用寿命，是目前应用最广的一种渗硼方法。渗硼层一般分为两种类型单一 Fe2B相的单相渗层和FeB+Fe2B双相渗层。工程上一般希望获得单相Fe2B渗层，而不是FeB+Fe2B双相渗层。这是因为前者虽然硬度略低(HV1290 1680)，但韧性好，综合性能更高，适用范围广；后者的FeB相位于渗层外侧，虽然硬度(HV1890 2340)较内侧的Fe2B相的高，但脆性较大，并且由于两种硼化物在比容、热膨胀系数等方面的差异，结果渗层易开裂，韧性较差，不适合用于对承受重载荷及冲击性载荷的零部件表面的强化。采用传统的粉末法渗硼，为获得单相Fe2B渗层，需要采用较低的渗硼气氛，渗速较慢；或者通过对在较高渗硼气氛下已经获得的FeB+Fe2B双相渗层,在较高的温度下于真空或盐浴中另外进行长时间扩散处理，将其转化为单相Fe2B渗层，但存在工时长、能耗高等不足之处。传统工艺还存在供硼剂利用率不高的缺点。在传统粉末法渗硼中，硼向被渗零件内部扩散的速度较慢是影响快速形成较厚单相Fe2B渗层的主要原因。由于硼的内扩散速度较慢，当渗硼气氛的硼势较高时，硼在表层富集，就会与先期形成的Fe2B相反应，在渗硼层中Fe2B相的外侧形成FeB相，得到FeB+Fe2B双相渗层；当渗硼气氛的硼势降低至一定程度时，虽可避免FeB相的形成，得到单相Fe2B渗层，但低的硼势又进一步相应降低渗速；另外，渗箱内含硼气氛扩散至渗硼件表面仅依靠热扩散来达到，也不利于渗硼件表面快速获得新鲜含硼气氛。

发明内容
针对传统粉末法渗硼中制约Fe2B相快速形成的主要原因，本发明通过改进传统粉末法渗硼装置，在粉末渗硼剂与被处理零件上施加适当的交流电场，利用交流电场的物理作用，一方面在被渗零件表层增加硼向基体内扩散的通道，加快硼在零件表层向基体内的扩散速度；另一方面，利用交流电场强化渗硼剂间的化学反应，高效率提供活性硼原子，增加活性硼原子的浓度与活性；同时交流电场还能促进含硼气氛在渗箱内的扩散，加速含硼气氛在渗硼件表面的更新，大幅度提高供硼剂的利用率，从而可以采用供硼剂含量较低的渗硼剂，而不降低渗硼速度，从而降低渗剂成本；再配以优化的处理温度与处理时间，即可高效获得厚度可达100 μ m以上的单一 Fe2B相渗层。渗速可提高一倍以上，供硼剂的利用率相应提高。
本技术发明所述工作方法，其特征为在耐热金属渗箱中放置一个与渗箱四周侧壁平行的柱状电极，柱状电极不接触渗箱，柱状电极与渗箱壁通过耐高温导线分别联接在一个电压在O 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上；欲处理零件放置在渗箱中，被处理零件与柱状电极、渗箱四壁、渗箱顶部及底部的距离不小于IOmm ;零件欲渗硼表面间距离也不小于IOmm ;由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂完全填充渗箱，并与欲处理零件、柱状电极一起通过耐火泥密封在渗箱中；将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为500°C 850°C，当炉温到设定值后，在两极间加上O 250伏之间的交流电压，电流在I 20安培之间，根据所要求的单相Fe2B渗层厚度确定保温时间，保温时间一般不短于30分钟，保温结束后渗箱随炉冷至室温后开箱取出工件。本技术发明所述装置，其特征在于由置于固体粉末渗硼剂中与渗箱侧壁平行的柱状电极、盛放粉末渗硼剂与电极及欲渗硼零件的由耐热金属材料制备的渗箱及箱盖、电压在O 250伏范围连续可调的50Hz工频交流电源系统构成，交流电源两极分别由耐高温导线连接柱状电极及渗箱壁。
本发明中所述柱状电极直径范围5 30mm，采用熔点在1200°C以上的金属材料制作，可以是实心柱，也可为两端封闭的空心柱。本发明的主要优点在于一方面利用交流电磁场的感应作用及交流电的“集肤”效应增加被渗零件表层供硼扩散的通道，加快硼向被渗零件内部的扩散，避免硼在表层的富集，从而获得单相Fe2B渗层，避免形成双相渗层；同时还克服了常规粉末法渗硼渗剂单纯依赖电炉加热分解产生活性硼原子而造成的一系列不足，利用交流电场的物理作用促进渗剂的分解与渗剂间的化学反应，大幅度增加活性硼原子的浓度与活性，从而提高供硼剂的利用率，加快渗速，降低渗硼温度；另外，采用渗箱壁作为交流电场的一极，这样只需在渗箱中央设置另一个电极(即柱状电极)，从而简化装置结构；由于零件是置于柱状电极与渗箱壁(为另一电极)之间，零件本身不连接电场电源，这样一个渗箱内可同时处理多个零件，对零件形状、尺寸也没有限制，零件表面单相Fe2B渗硼层均匀形成。所以具有如下有益效果I)采用与现行常规粉末法渗硼相同的渗剂、温度和保温时间时，运用本技术能够直接获得均匀的单相Fe2B渗硼层，同时渗硼速度提高I 3倍不等，供硼剂的利用率提高；采用远低于现行常规粉末法渗硼所用的处理温度，运用本技术也能得到满足使用要求厚度的单相Fe2B渗层。因此，本技术具有提高生产效率、节约能源、降低生产成本等优点。2)本技术能在500 650°C低温范围对尺寸精度要求较高的模具、工具和其它一些耐磨件进行有效的渗硼处理，提高它们的使用性能和寿命，不仅能耗少，且工件变形较小，性能更好；3)相对于现有技术，本发明装置简洁、工艺操作方便，一个渗箱内可同时处理多个整体表面需要形成均匀单相Fe2B渗硼层的零件，生产效率高。


附图I为本技术发明渗硼装置示意图。I.电压连续可调交流电源系统，2.导电引线，3.渗箱盖，4.耐火泥密封，5.欲渗硼零件，6.粉末渗硼剂，7.柱状电极，8.欲渗硼零件，9.渗箱。附图2为下面实施例I中所得渗硼层的金相照片。
I)节能高效技术制备，2)常规工艺制备。
具体实施例方式本发明装置的示意图如附图I所示。下面为本发明的具体实施例实施例I 被渗材料45钢；渗硼剂构成供硼剂(硼铁，含量10% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5% )、疏松剂(木炭，I % )、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。在上述物质组成的固体粉末渗硼剂(6)中放置一个与渗箱(9)四壁平行的柱状电极(7)，被渗试样(5)、⑶和电极(7)、渗箱(9)壁间距离15mm，电极(7)、渗箱(9)由耐热导线(2)分别联接在一个电压在O 250伏范围连续可调的50Hz交流电源系统(I)上，柱状电极(7)和被渗试样(5)、(8)与粉末渗硼剂(6) —起由耐火泥密封料(4)密封在带渗箱盖(3)的渗箱(9)中，将渗箱(9)置于箱式炉中加热，渗硼温度800°C，当炉温到设定值后，在电极(7)与渗箱(9)壁间加上4安培的交流电场，保温时间4小时。试验结果节能高效技术使45钢获得 110 μ m厚的单一 Fe2B相渗硼层，其硬度在1200 1500HV& I范围；而采用同样配方渗剂，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经8000C X4小时渗硼，得到的是渗层厚度只有 55μπι的FeB+Fe2B双相渗硼层。两种工艺渗硼层组织照片如附图2所示实施例2被渗材料20钢；渗硼剂构成供硼剂(硼铁，含量3% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5% ;)、疏松剂(木炭，2%)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。节能高效制备单一 Fe2B渗层的方法及装置同实施例1，渗硼温度800°C，渗硼时间4小时，被渗试样和渗箱壁及柱状电极间距离10mm，在柱状电极与渗箱壁间施加6安培的交流电场。试验结果20钢获得 90μπι厚的单相Fe2B渗硼层，其硬度在1200 1500HV。. i范围；而采用同样配方渗剂，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经800°C X4小时渗硼，渗硼层厚度只有 30 μ m,且除Fe2B相外，还含有少量FeB相。实施例3被渗材料T12钢；渗硼剂构成供硼剂(硼铁，含量10% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5% )、疏松剂(木炭，I % )、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。节能高效制备单一 Fe2B渗层的方法及装置同实施例1，渗硼温度750°C，渗硼时间4小时。被渗试样和柱状电极距离10mm，在柱状电极和渗箱间施加4安培的的交流电场。试验结果T12钢获得 80 μ m厚的单相Fe2B渗硼层，其硬度 ISOOHVc^1 ;而采用同样配方渗剂，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，同样经750°C X4小时渗硼，T12钢上形成的为 28 μ m厚的FeB+Fe2B双相渗硼层。实施例4被渗材料45钢；渗硼剂构成供硼剂(硼铁，含量10% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5% )、疏松剂(木炭，I % )、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。节能高效制备单一 Fe2B渗层的方法及装置同实施例1，渗硼温度600°C，渗硼时间6小时。被渗试样和柱状电极距离10mm，在柱状电极和渗箱间施加4安培的的交流电场。试验结果45钢获得 80 μ m厚的单相Fe2B渗硼层；而采用同样配方渗剂，采用现有的常规粉末法渗硼工艺，45钢同样经600°C X6小时渗硼，仅形成不足5^厚的渗硼层。·
权利要求
1.一种节能高效制备单一 Fe2B渗层的技术，其特征是在由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂中放置一个平行于渗箱四壁的圆柱状电极，圆柱状电极和渗箱壁分别联接在一个电压在O 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上，待处理工件置于渗箱中，与圆柱状电极及渗箱壁之间的距离不小于10mm，圆柱状电极和零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于热处理炉中加热，温度范围为500 850°C，当炉温到设定值后，在圆柱状电极和渗箱间加上O 250伏之间的交流电压，电流在I 20安培之间，保温时间不短于30分钟，保温结束后随炉冷却。
2.实现权利要求I所述的一种节能高效制备单一Fe2B渗层的装置，其特征在于由盛放欲渗硼零件(5)和(8)、渗硼剂(6)的渗箱(9)及其箱盖(3)与密封(4)、置于粉末渗硼剂(6)中的与渗箱(9)四壁平行的柱状电极(7)、电压在O 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源系统(I)构成，交流电源两极分别由耐热导线(2)连接柱状电极(7)和渗箱(9)壁。
3.根据权利要求2所述的一种节能高效制备单一Fe2B渗层的装置，其特征在于所述柱状电极材料直径范围为5 30mm，采用熔点在1200°C以上的金属材料制作。
4.根据权利要求2所述的一种节能高效制备单一Fe2B渗层的装置，其特征在于柱状电极与欲渗硼零件之间的距离不小于10mm。
全文摘要
本发明为一种节能高效制备单一Fe2B渗层的技术，其采取在粉末渗硼剂中放置一个平行于渗箱四壁的圆柱状电极，圆柱状电极和渗箱壁分别由耐热导线联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上，被处理零件位于圆柱状电极和渗箱壁之间，电极、被处理零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中加热，当炉温到500℃～850℃间某设定值后，在两极间施加适当交流电场，从而节能高效地获得单一Fe2B渗层。该法与常规粉末法渗硼相比，采用与现行常规粉末法渗硼相同的渗剂、温度和保温时间时，运用本技术即能够直接获得均匀的单相Fe2B渗硼层，同时渗硼速度可提高1～3倍不等，供硼剂的利用率提高。
文档编号C23C8/70GK102943235SQ20121052410
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者谢飞, 朱丽曼, 孙力 申请人:常州大学