一种q235钢快速渗硼的方法
【专利摘要】本发明公开了一种Q235钢快速渗硼的方法，首先采用超音速微粒轰击技术对Q235钢单面表面进行喷丸处理，使喷丸面的组织细化到纳米级，然后采用由10～15％的供硼剂、10～15％的渗硼活化剂、8～12％的氧化铈、15～25％的活性碳、40～55％的碳化硅组成的粉末渗硼剂在渗硼密封罐中对Q235钢进行渗硼处理。本发明将工件表面喷丸纳米化后再结合快速渗硼剂进行渗硼的方法，不仅降低了渗硼温度，缩短了渗硼时间，并可在相同渗硼工艺条件下获得较更深的渗硼层，且获得的渗硼层为致密度高、性能好的Fe2B单相硼化物，达到了节能减排，降低成本的目的。
【专利说明】一种Q235钢快速渗硼的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料改性【技术领域】，具体涉及一种Q235钢快速渗硼的方法。
【背景技术】
[0002]渗硼工艺可分为固体法、液体法、气体法、离子法等，目前国内外多普遍采用固体渗硼法，特别是粉末渗硼，它具有不需要特殊设备、工艺简单、实施容易、渗后工件不需要清洗、渗剂重复使用性好、钢铁工件均可渗硼等优点，采用粉末渗硼法渗硼后工件均可获得高硬度的硼化物层，且渗层厚度与组织容易控制，因此，其是一种成本较低、投资少见效快的渗硼方法，也是目前比较价廉地获得耐磨、耐热、抗蚀性能的热处理方法，非常具有发展前途。但是，固体渗硼的工艺参数只有温度和时间，渗硼温度一般在850?1050°C，时间3?16h，温度高、时间长，既耗能又费时，不符合节能减排的现代生产理念，实现低温、短时渗硼技术是目前急于解决的技术“瓶颈”。
[0003]另外，对于渗硼后工件的结构方面，通过渗硼工艺控制可获得单一的Fe2B化合物层或FeB+Fe2B，由于Fe2B较FeB相脆性较小，加之两相组织会在两个不同的金属间化合物产生较大的应力，实际应用时获得单相Fe2B组织是技术上所希望的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种Q235钢快速渗硼的方法，解决了现有技术中渗硼方法存在的温度高、时间长及不易获得单相Fe2B组织的技术问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是，一种Q235钢快速渗硼的方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1:Q235钢的表面处理
[0007]1.1，采用超音速微粒轰击技术对Q235钢单面表面进行喷丸处理；
[0008]1.2，将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮清洗；
[0009]步骤2:制备粉末渗硼剂
[0010]按质量分数计，称取供硼剂10?15%，渗硼活化剂10?15%，氧化铈8?12%，活性碳15?25%，碳化硅40?55%混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih ;
[0011]步骤3:对步骤I中表面处理后的Q235钢试样进行渗硼处理，具体工艺如下:
[0012]3.1，将渗硼密封罐在100°C下烘干I?1.5h ;
[0013]3.2，将Q235钢埋入装有步骤2制备的粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中550?600°C下保温1.5?2.5h后随炉升温至800?900°C继续保温I?2h进行渗硼处理，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷至常温，即完成。
[0014]本发明的特点还在于，
[0015]超音速微粒轰击技术对Q235钢进行单面表面喷丸处理的工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min。
[0016]供硼剂选自碳化硼、硼铁、三氧化二硼、硼砂中的一种。
[0017]渗硼活化剂选自氟硅酸钠、氯化铵、氟化钾、氟硼酸钾、碳酸钠、碳酸氢胺、硫脲中的一种。
[0018]本发明的有益效果是，所采用的粉末渗硼剂中的渗硼活化剂和氧化铈的协同效应加快了渗硼剂对Q235钢渗硼过程，此外，将工件表面喷丸纳米化后再结合快速渗硼剂进行渗硼的方法，不仅降低了渗硼温度，缩短了渗硼时间，并可在相同渗硼工艺条件下获得更深的渗硼层，且获得的渗硼层为致密度高、性能好的Fe2B单相硼化物。因此，采用本发明的渗硼方法获得的渗硼层表面硬度高，硬度梯度好，达到了节能减排，降低成本的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是Q235钢在渗硼温度为600°C下渗硼2h后的横截面显微组织形貌图；
[0020]图2是本发明中的Q235钢在渗硼温度为600°C下渗硼2h后又升温至900°C渗硼2h后的横截面显微组织形貌图；
[0021]图3是本发明中的Q235钢在渗硼温度为600°C下渗硼2h后又升温至900°C渗硼2h后带有显微压痕的横截面显微组织形貌图；
[0022]图4是本发明中的Q235钢的喷丸面在渗硼温度为600°C下渗硼2h后又升温至900°C渗硼2h后的表层X-射线衍射谱图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0024]本发明的一种Q235钢快速渗硼的方法，包括以下步骤:
[0025]步骤1:Q235钢的表面处理
[0026]采用超音速微粒轰击技术对Q235钢单面表面进行喷丸处理，其工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min，使喷丸面的组织细化到纳米级；
[0027]1.2，将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮在清洗，保持Q235钢试样表面干净；
[0028]步骤2:制备粉末渗硼剂
[0029]按质量分数计，称取供硼剂10?15%，渗硼活化剂10?15%，氧化铈8?12%’活性碳15?25%，碳化硅40?55%混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih ;
[0030]步骤3:对步骤I中喷丸后的Q235钢试样进行渗硼处理，具体工艺如下:
[0031]3.1，将渗硼密封罐在100°C下烘干I?1.5h ;
[0032]3.2，将Q235钢埋入装有步骤2制备的粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中550?600°C保温1.5?2.5h后随炉升温到800?900°C继续保温I?2h进行渗硼处理，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷。
[0033]其中，供硼剂选自碳化硼、硼铁、三氧化二硼、硼砂中的一种；渗硼活化剂选自氟硅酸钠、氯化铵、氟化钾、氟硼酸钾、碳酸钠、碳酸氢胺、硫脲、稀土氧化物中的一种。
[0034]在粉末渗硼剂中，供硼剂起供硼的作用，在渗硼过程中产生活性硼原子；渗硼活化剂使工件表面保持“活化”(或“清洁”)状态，使硼原子容易吸附于金属表面并向内部扩散，而且在由还原剂组成的渗硼剂中还兼有促进还原反应的作用；氧化铈是一种稀土渗硼剂，起催渗的作用，有利于Fe2B单相硼化物的形成，可提高渗硼层的硬度和耐蚀性；活性碳加入起抗高温粘结作用，使渗硼剂在高温时不粘结，可保证工件取出时方便和渗硼剂可重复使用；碳化硅起填充剂作用，可减少渗硼剂的板结和渗硼剂与工件的粘连，方便工件的取出，降低了成本。
[0035]Q235钢表面经超音速喷丸表面纳米化后，由于大量的晶界为硼原子的扩散提供了通道，提高了渗硼过程中硼原子的扩散速度，同时，晶界和晶内的缺陷具有较高的能量，为硼化物的成核与长大提供了额外的驱动力。
[0036]下面以由碳化硼、氟硅酸钠、氧化铈、活性炭和碳化硅组成的粉末渗硼剂说明本发明的粉末渗硼剂在渗硼时的反应机理:
[0037]渗硼活化剂氟硅酸钠Na2SiFf^ 500°C时开始分解，即:
[0038]Na2SiF6= 2NaF+SiF4 (I)
[0039]其分解出的NaF和SiF4与碳化硼中的B发生反应，因渗硼罐内含有空气，氧气将参与反应，反应式如下:
[0040]2NaF+l/3B+02+l/2SiC = l/3BF3+l/2Na2Si03+l/2C0 (2)
[0041]3SiF4+302+4B = 4BF3+3Si02 (3)
[0042](2)与(3)式生成的BF3将会与渗硼剂中的活性碳发生反应生成不稳定的8?2，反应式如下:
[0043]BF3+5/4C+02= BF 2+l/4CF4+C02 (4)
[0044]8&还可能与SiC发生以下反应:
[0045]2BF3+2SiC+202 = BF 2+ [B] +Si02+SiF4+2C0 (5)
[0046](4)和(5)式生成的BF2将发生分解反应，析出活性硼原子。
[0047]3BF2= [B] +2BF 3 (6)
[0048]上述活性硼原子与Q235试样表面的铁接触生成Fe2B相，即
[0049][B]+2 [Fe] = Fe2B (7)
[0050]采用超音速喷丸技术处理工件的表面使工件表面组织纳米化，并结合使用快速渗硼剂对工件表面进行渗硼处理，可以制备性能优异的渗硼层，经本发明的方法渗硼处理后的Q235钢试样表面干净，呈银灰色，没有渗硼剂粘结，可以获得深度较厚、致密度高的性能好的Fe2B单相硼化物。
[0051]参见图1?图3可以看出Q235钢仅在600°C下渗硼，其渗硼厚度为O μ m，本发明中的Q235钢在渗硼温度为600°C下渗硼2h后又升温至900°C渗硼Q235钢喷丸面渗硼厚度为60 μ m，有渗硼过渡层，而且渗硼层表面硬度高，硬度梯度好。
[0052]参见图4，由图可知测试结果和PDF标准卡相比较发现，在本发明的渗硼工艺下Q235钢的表面获得了单一的？％8相，而一般情况下在钢铁材料渗硼时表面容易形成较脆的FeB相，而次表层才是Fe2B单相。
[0053]实施例1
[0054]将Q235钢采用超音速微粒轰击技术进行单面表面喷丸处理，其工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min，使喷丸面的组织细化到纳米级；再将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮清洗，保持Q235钢试样表面干净；
[0055]按质量分数计，称取10%的三氧化二硼、10%的碳酸氢胺、10%的氧化铈，15%的活性碳、55%的碳化硅混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih ;将渗硼密封灌在100°C下烘干lh，将Q235钢埋入装有上述粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中加热到550°C，保温2h后随炉升温到800°C继续保温1.5h进行渗硼处理，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷。
[0056]本实施例制备的经渗硼处理后的Q235钢，喷丸面渗硼厚度为10 μ m，表面硬度为HVl 126 ;未喷丸面渗硼厚度为5μπι，表面硬度为HV698。
[0057]实施例2
[0058]将Q235钢采用超音速微粒轰击技术进行单面表面喷丸处理，其工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min，使喷丸面的组织细化到纳米级；再将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮清洗，保持Q235钢试样表面干净；
[0059]按质量分数计，称取12%的硼铁、13%的氟化钾、8%的氧化铈，20%的活性碳、47%的碳化硅混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih ;将渗硼密封灌在100°C下烘干1.5h，将Q235钢埋入装有上述粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中加热到580°C，保温1.5h后随炉升温到900°C继续保温Ih进行渗硼处理，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷。
[0060]本实施例制备的经渗硼处理后的Q235钢，喷丸面渗硼厚度为35 μ m，表面硬度为HV1658 ;未喷丸面渗硼厚度为2(^111，表面硬度为取1460。
[0061]实施例3
[0062]将Q235钢采用超音速微粒轰击技术进行单面表面喷丸处理，其工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min，使喷丸面的组织细化到纳米级；再将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮清洗，保持Q235钢试样表面干净；
[0063]按质量分数计，称取15%的碳化硼、15%的氟硅酸钠、12%的氧化铈，18%的活性碳、40%的碳化硅混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih ;将渗硼密封灌在100°C下烘干1.2h，将Q235钢埋入装有上述粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中600°C保温2h后随炉升温到900°C继续保温2h后，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷。
[0064]本实施例制备的经渗硼处理后的Q235钢，喷丸面渗硼厚度为60 μ m，表面硬度为HV1772 ;未喷丸面渗硼厚度为50 μ m，表面硬度为HV1554。
[0065]实施例4
[0066]将Q235钢采用超音速微粒轰击技术进行单面表面喷丸处理，其工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min，使喷丸面的组织细化到纳米级；再将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮清洗，保持Q235钢试样表面干净；
[0067]按质量分数计，称取10%的硼砂、10%的氟硼酸钾、10%的氧化铈，25%的活性碳、45%的碳化硅混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih ;将渗硼密封灌在100°C下烘干1.5h，将Q235钢埋入装有上述粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中570°C保温2.5h后随炉升温到850°C继续保温1.5h后，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷。
[0068]本实施例制备的经渗硼处理后的Q235钢，喷丸面渗硼厚度为40 μ m，表面硬度为 HV1606 ;未喷丸面渗硼厚度为25 4111，表面硬度为取1158。
【权利要求】
1.一种Q235钢快速渗硼的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:Q235钢的表面处理 1.1，采用超音速微粒轰击技术对Q235钢单面表面进行喷丸处理； 1.2，将喷丸处理后的Q235钢在超声波清洗机中用丙酮清洗； 步骤2:制备粉末渗硼剂 按质量分数计，称取供硼剂10?15%，渗硼活化剂10?15%，氧化铈8?12%，活性碳15?25%，碳化硅40?55%混合均匀，制得粉末渗硼剂，并将粉末渗硼剂在100°C下烘干Ih; 步骤3:对步骤I中表面处理后的Q235钢试样进行渗硼处理，具体工艺如下: 3.1，将渗硼密封罐在100°C下烘干I?1.5h ; 3.2，将Q235钢埋入装有步骤2制备的粉末渗硼剂的渗硼密封罐中，在马弗炉中550?600°C下保温1.5?2.5h后随炉升温至800?900°C继续保温I?2h进行渗硼处理，渗硼完成后将渗硼密封罐从马弗炉中取出，在空气中空冷至常温，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种Q235钢快速渗硼的方法，其特征在于，所述超音速微粒轰击技术对Q235钢单面表面进行喷丸处理的工艺为:工作气压0.5MPa，直径为0.3mm的SllO不锈钢弹丸，轰击时间为30min。
3.根据权利要求1所述的一种Q235钢快速渗硼的方法，其特征在于，所述的供硼剂选自碳化硼、硼铁、三氧化二硼、硼砂中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种Q235钢快速渗硼的方法，其特征在于，所述的渗硼活化剂选自氟硅酸钠、氯化铵、氟化钾、氟硼酸钾、碳酸钠、碳酸氢胺、硫脲中的一种。
【文档编号】C23C8/70GK104451536SQ201410765715
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】葛利玲 申请人:西安理工大学