一种工件表面强化低温固体B-Cr-Re还原剂的制作方法

本发明涉及一种低温还原剂，具体地说是一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂。

背景技术：

工件表面经渗硼处理后，在表面会获得一定厚度的渗硼层，因渗硼层具有高硬度、高耐蚀性、高耐磨性和优良的抗高温氧化性等特点，使渗硼技术得到十分广泛的应用，目前，主要应用在矿山机械、工程机械、农业机具等工件表面强化上。

目前，渗硼方法主要包括气体渗硼、液体渗硼和固体渗硼。其中，气体渗硼和液体渗硼因技术缺陷，大大限制其应用。国内外学者主要研究的渗硼技术为固体渗硼，渗硼温度约为750℃-950℃，渗硼时间约为1h-14h。国内主要研究的高校有山东大学、国防科技大学、武汉科技大学、佳木斯大学、山东农业大学、山东建筑大学。但这样工艺条件下渗硼技术存在明显的不足：①渗硼温度高、时间长、工件热处理后变形较大；②渗硼层脆性大，与基体结合不牢，容易剥落；鉴于以上不足，为进一步拓宽渗硼工艺的广泛应用。国内外学者、专家逐步开始探索低温渗硼技术的研究，并在部分工件表面开始试用。

所谓的低温渗硼是指在相变温度以下进行渗硼。由于低温渗硼技术可以得到单相fe2b结构，故低温渗硼技术不但可以减小工件变形；更多的是降低了渗硼脆性。这种渗硼技术特别适用于一些结构复杂、型腔小、精度要求高的工件表面；同时该低温渗硼工艺还具有简单、通用、操作方便、渗件易清洗等优点，已成为渗硼技术发展的重要组成部分。为提高硼原子低温时的扩散速度，改善渗硼层的质量。目前，山东建筑大学材料学院表面科学技术课题组逐步在还原剂成分含量优化上开展了大量的研究工作，效果较为明显。主要采用si、ca、al、mg及其合金等为还原剂。

中国专利zl200810015959.7公开了一种硼-铬-稀土共渗剂及其共析线以下的低温共渗工艺，其中共渗剂成分中还原剂为硅钙合金，重量比为11.0-11.5份，共渗温度为680℃，保温4h。工件经上述工艺共渗冷却后，得到相对单一的fe2b结构，但共渗层较浅，共渗层上存在一些大小不均的孔洞。

中国专利zl201310297958.7公开了一种新型的硼-铬-稀土低温共渗剂，其中共渗剂成分中还原剂为三氧化二铝，重量比为21.3-24.5份，共渗温度为600℃和650℃，保温6h。相对上一个专利催渗剂的用量明显降低，工件经这种工艺共渗冷却后，仍为单相fe2b结构，共渗层厚度约为30-52μm。但共渗层上仍然存在大小不均的孔洞，影响在精密器件上的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种渗前表面淬火处理低温固体b-cr-re共渗后工件变形小、无相变、无内应力、共渗层更加致密、无孔洞、成本更低、技术产业化潜力更大，同时得到单相fe2b结构共渗层的低温固体b-cr-re共渗还原剂。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）27.2-31.6份，三氧化二铝（al2o3）42.8-45.1份，氧化镁（mgo）24.5-27.0份。

一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）27.2份，三氧化二铝（al2o3）42.8份，氧化镁（mgo）24.5份。

一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）29.5份，三氧化二铝（al2o3）43.9份，氧化镁（mgo）26.6份。

一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）28.4份，三氧化二铝（al2o3）44.8份，氧化镁（mgo）26.8份。

一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）31.6份，三氧化二铝（al2o3）45.1份，氧化镁（mgo）27.0份。

使用该还原剂的共渗剂共渗工艺，包括工件渗前表面淬火处理、还原剂配制、还原剂搅拌处理、共渗剂配制、工件装箱、低温b-cr-re共渗步骤。

低温固体b-cr-re还原剂提高共渗层致密性和消除孔洞的机理分析

为拓宽碳钢在精密器件上的应用，采用b-cr-re多元低温共渗，但传统工艺渗速较低、渗层较浅。为提高渗速，采用渗前碳钢表面淬火处理，经表面淬火处理后的碳钢表层存在着结构缺陷，例如：马氏体和残余奥氏体，残余应力等等。这些缺陷能够为后续的b-cr-re多元共渗提供结构条件和能量条件，提高共渗层的厚度，改善共渗层的质量。

碳钢表面b-cr-re低温共渗，还原剂为复合型还原剂时，其对渗硼的作用效果取决于整体共渗剂组分相互作用的结果。为进一步提高b-cr-re低温共渗技术的应用，满足生产需要，通过大量的实验研究表明，还原剂为硅钙合金（casi2+casi）、三氧化二铝（al2o3）、氧化镁（mgo）时，共渗效果远优越于单相成分的还原剂。

还原剂在高温下，分别与bf3和b2o3发生反应，生成大量活性的硼原子；与此同时，与稀土化合物发生反应，生成大量活性的稀土原子。这对后期的b-cr-re低温共渗起到积极的作用，提高共渗层的致密性。化学反应如下：

4bf3+3m→3mf4+4[b]

b2o3+3m→3mo+2[b]

2lacl3(s)+3m→2[la]+3mcl2

2cecl3(s)+3m→2[ce]+3mcl2

工业生产的硅钙合金的相组成为casi2约77%，casi约5%-15%，si<20%，sic<8%，密度约为2.2g/cm³，熔化温度范围为980-1200℃。硅钙合金在共渗剂组分相互反应的同时，积极还原出大量活性的硼原子和稀土原子，促进共渗过程的进行；同时硅钙合金还可以起到净化共渗层的作用，减少杂质对共渗层影响，增加共渗层的致密性。

工业氧化铝难溶于水的白色固体，无臭，无味。密度约为3.97g/cm³，熔点2030℃，沸点2977℃。它在起到还原作用之外，还起到吸附作用，减少杂质对共渗层影响，增加共渗层的致密性。

氧化镁无臭、无味、无毒，是典型的碱土金属氧化物，熔点2852℃，沸点3600℃，相对密度为3.58g/cm³（25℃）。

复合型还原剂与共渗剂其它组分之间的相互作用，激发出更多的活性原子，不仅积极促进共渗的速度；还减少了杂质对共渗层的影响，有效提高共渗层的致密性。

本发明具有以下优点：

1、共渗温度更低，成本更低，工件变形更小、无相变、无内应力、拓宽了在精密件上的应用。

2、低温共渗层更加致密，无孔洞，厚度约为23~44μm，应用领域更广。

3、低温共渗层质量更好，经济性更好，产业化潜力更大。

附图说明

图1是q235钢表面淬火处理后经580℃×5h共渗层的组织形貌图；

图2是q235钢表面淬火处理后经590℃×5h共渗层的组织形貌图；

图3是45钢表面淬火处理后经580℃×5h共渗层的组织形貌图；

图4是45钢表面淬火处理后经590℃×5h共渗层的组织形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）27.2份，三氧化二铝（al2o3）42.8份，氧化镁（mgo）24.5份。

对q235钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14s、水淬，然后在580℃×5h条件下进行b-cr-re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：

1.对工件进行渗前表面淬火处理

表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14s、水淬。

2.还原剂配制

按照上述比例进行配制，具体的配制过程如下：

a.将硅钙合金（casi2+casi）、三氧化二铝（al2o3）、氧化镁（mgo）按照上述比例进行配制，并将所有组分粉碎成100目左右的颗粒，同时搅拌均匀；

b.再进一步粉碎，同时同时搅拌均匀；

3.共渗剂配制

按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：

a.按照上述比例进行配制还原剂，并不断进行搅拌；

b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各还原剂组分进行充分搅拌；

c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；

d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；

e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。

4.装箱

将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。

5.b-cr-re共渗

装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至580℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。

如图1所示，q235钢经580℃×5h的b-cr-re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、较为均匀、厚度为32µm-39µm，共渗层质量好。

实施例2：一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）29.5份，三氧化二铝（al2o3）43.9份，氧化镁（mgo）26.6份。

对q235钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14s、水淬，然后在590℃×5h条件下进行b-cr-re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：

1.对工件进行渗前表面淬火处理

表面淬火处理参数为：温度940℃、保温时间14s、水淬。

2.还原剂配制

按照上述比例进行配制，具体的配制过程如下：

a.将硅钙合金（casi2+casi）、三氧化二铝（al2o3）、氧化镁（mgo）按照上述比例进行配制，并将所有组分粉碎成100目左右的颗粒，同时搅拌均匀；

b.再进一步粉碎，同时同时搅拌均匀；

3.共渗剂配制

按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：

a.按照上述比例进行配制还原剂，并不断进行搅拌；

b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各还原剂组分进行充分搅拌；

c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；

d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；

e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。

4.装箱

将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。

5.b-cr-re共渗

装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至590℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。

如图2所示，q235钢经590℃×5h的b-cr-re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、较为均匀、厚度为36µm-43µm，共渗层质量好。

实施例3：一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）28.4份，三氧化二铝（al2o3）44.8份，氧化镁（mgo）26.8份。

对45钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14s、水淬，然后在580℃×5h条件下进行b-cr-re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：

1.对工件进行渗前表面淬火处理

表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14s、水淬。

2.还原剂配制

按照上述比例进行配制，具体的配制过程如下：

a.将硅钙合金（casi2+casi）、三氧化二铝（al2o3）、氧化镁（mgo）按照上述比例进行配制，并将所有组分粉碎成100目左右的颗粒，同时搅拌均匀；

b.再进一步粉碎，同时同时搅拌均匀；

3.共渗剂配制

按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：

a.按照上述比例进行配制还原剂，并不断进行搅拌；

b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各还原剂组分进行充分搅拌；

c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；

d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；

e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。

4.装箱

将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。

5.b-cr-re共渗

装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至580℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。

如图3所示，45钢经580℃×5h的b-cr-re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、齿状形貌、较为均匀、厚度为23µm-28µm，共渗层质量好。

实施例4：一种工件表面强化低温固体b-cr-re还原剂，其组分按质量比含量为：硅钙合金（casi2+casi）31.6份，三氧化二铝（al2o3）45.1份，氧化镁（mgo）27.0份。

对45钢试样进行渗前表面淬火处理，表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14s、水淬，然后在590℃×5h条件下进行b-cr-re共渗，渗后对试样进行观察。其工艺过程如下：

1.对工件进行渗前表面淬火处理

表面淬火处理参数为：温度860℃、保温时间14s、水淬。

2.还原剂配制

按照上述比例进行配制，具体的配制过程如下：

a.将硅钙合金（casi2+casi）、三氧化二铝（al2o3）、氧化镁（mgo）按照上述比例进行配制，并将所有组分粉碎成100目左右的颗粒，同时搅拌均匀；

b.再进一步粉碎，同时同时搅拌均匀；

3.共渗剂配制

按照共渗剂的比例配制，具体的配制过程如下：

a.按照上述比例进行配制还原剂，并不断进行搅拌；

b.将共渗剂中其它材料粉碎成100目左右的颗粒，并与a中各还原剂组分进行充分搅拌；

c.将搅拌均匀的共渗剂b在180℃烘干2-3小时，炉冷；

d.将烘干后的共渗剂c进一步粉碎，再进行搅拌，致均匀；

e.将搅拌均匀的共渗剂d放置于干燥的容器中，待用。

4.装箱

将配制好的共渗剂，按照先渗剂后工件的原则进行装箱；并保证工件与工件之间，工件与容器壁之间应保持40-50mm的距离。

5.b-cr-re共渗

装箱完毕之后，用双层水玻璃+粘土进行密封，在干燥环境中放置24小时；加热炉升温至590℃，将渗箱放入，计时保温5小时，炉冷。

如图4所示，45钢经590℃×5h的b-cr-re共渗，共渗层组织致密、无孔洞、齿状形貌、较为均匀、厚度为23µm-30µm，共渗层质量好。