专利名称：交流电场加速粉末法渗硼的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属零件表面化学热处理的方法与装置，特指一种用于金属零件表面强化的交流电场加速粉末法渗硼的方法与装置。
背景技术：
渗硼是一种将硼元素渗入金属工件表层的化学热处理工艺。渗硼层具有很高的硬度与耐磨性及一定的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，所以渗硼件应用范围较广。渗硼可分为固体、盐浴、电解和气相渗硼等方法。目前应用最广的固体粉末法渗硼(简称粉末法渗硼)根据零件性能要求及零件材质的不同，一般是在850 950°C之间进行的高温渗硼，常用保温时间3 8小时不等，获得30 200 μ m不等厚度的渗硼层。根据李泉华编著，2003年北京机械工业出版社的《热处理实用技术》，PP94 96，和华磊，高尚宇，申兆亮，隋勇，“固体渗硼技术及其发展趋势”， 《山东农机》，2001年，No. 4，pp6 8，这种工艺存在处理温度较高、处理时间较长、渗剂利用率不太高、成本较高、渗硼后工件变形较大等不足之处。为了解决渗硼温度高、渗后工件变形大等问题，低温渗硼为人们所关注。低温渗硼是指在钢临界点(A1)以下温度的渗硼，特别是在钢回火温度下进行渗硼，不仅能改善渗层性能、降低能耗和减小工件变形，进一步扩大渗硼工艺的应用，而且还能简化工艺，有明显的经济效益，如中国发明专利，85105278 “增压吸附式低温渗硼法”。但目前的低温渗硼在600 750°C之间进行，渗速慢，渗层浅，同时渗剂中供硼剂、活化剂含量非常高，例如李泉华编著，2003年北京机械工业出版社的《热处理实用技术》，P94，及黎向锋，林祥丰，左敦稳，王珉，“45钢低温膏剂渗硼及耐蚀性研究”， 《航空工艺技术》，1999年，No. 3，p. 29，p. 30，p. 45，指出硼铁含量20 65%，碳化硼含量高达40%、氟硼酸钾高达20%，所以处理成本很高。这是因为在较低温度时，渗剂依靠热分解产生活性硼原子的效率较低，只有靠增加供硼剂、活化剂的含量来产生足够的活性硼原子。现行工艺中采用的碳化硼、硼铁等供硼剂价格昂贵，但在一次渗硼处理中仅部分反应被消耗。为克服供硼剂一次利用率不高的问题，目前一般采用在旧渗硼剂中添加活化剂、催渗剂，再搭配适当比例新渗剂的的方式重复使用渗硼剂来提高供硼剂的利用率，但由于渗硼剂中一些活化剂、催渗剂的分解产物造成渗剂板结，重复次数越多，板结越严重，使用旧渗剂会增加渗后零件的清理难度，还会影响零件表面质量，索要旧渗剂不宜多次使用。另外，目前的固体粉末渗硼中活性硼原子的产生是由高温作用下渗剂发生热分解、相互反应而来，其浓度随渗硼温度的提高、渗剂中供硼剂和活化剂、催渗剂含量的增加而增加，为提高渗速及获得厚的渗层，现行工艺采用高温、高比例的供硼剂、添加催渗剂、延长保温时间等方式，不仅渗剂利用率不高，同时存在处理温度较高、处理时间较长、成本较高等不足之处。
发明内容
针对上述不足，本发明通过在粉末渗硼剂中施加适当的交流电场，利用交流电场的物理作用，极大地促进供硼剂的分解、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，大幅度提高供硼剂的利用率，增加被渗零件表层硼的扩散通道，加快硼在零件表层的扩散速度，可显著降低渗硼温度、减少零件变形，减少渗剂中供硼剂、活化剂的含量。该法与现行粉末法渗硼相比，在550 950°C范围的不同温度，渗速至少可提高0. 5 3倍不等，供硼剂的用量减少70%以上，供硼剂的利用率提高1倍以上。本发明所述工作方法，其特征为在由供硼剂、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两个平行的平板电极，两极通过导线分别联接在一个电压在 0 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上，欲处理零件放置在两极之间，零件两侧分别距离电极10 100mm，平板电极和零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为阳0 1000°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的交流电压。本发明所述装置，其特征在于由置于固体粉末渗硼剂中的两个平行的平板电极、 盛放粉末渗硼剂、电极与零件的渗箱、电压在O 250伏范围连续可调的50Hz交流电源系统构成，交流电源两极分别由导线连接两个平板电极，欲渗硼零件置于两个平板电极之间。本发明中所用平板电极厚度范围0. 2 10mm，采用熔点在1200°C以上的金属材料制作。本发明的主要优点在于克服了常规粉末法渗硼单纯依赖渗剂受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，增加被渗零件表层硼的扩散通道，从而提高供硼剂的利用率，加快渗速，降低渗硼温度；由于零件是置于两电极之间，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，零件表面形成均勻渗硼层。所以具有如下有益效果1)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，供硼剂的利用率提高一倍以上，渗硼速度至少可提高0. 5 3倍以上；欲达到现行常规渗硼层厚度，供硼剂的用量可以减少70%以上，或保温时间缩短30%，或处理温度降低100°C以上，从而节约能源，降低生产成本；2)能在560 650°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；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勻渗硼层的零件。
附图1为交流电场加速粉末法渗硼装置示意图。1)渗箱盖，2)耐火泥密封，3)渗箱，4)导电引线，5)粉末渗硼剂，6)板状电极，7) 欲渗硼零件，8)板状电极，9)电压连续可调交流电源系统。
具体实施例方式本发明装置的示意图如附图1所示。下面为本发明的具体实施例实施例1
被渗材料45钢；渗硼剂构成供硼剂(硼铁，含量6% )、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)。在上述物质组成的固体粉末渗硼剂(5)中平行放置两个板状电极(6)、(8)，被渗试样(7)和两侧电极(6)、(8)间距离15mm，两电极(6)、(8)由导线(4)分别联接在一个电压在0 250伏范围连续可调的50Hz交流电源系统(9)上，板状电极(6)、⑶和被渗试样 (7)与粉末渗硼剂( 一起由耐火泥密封料( 密封在带渗箱盖(1)的渗箱C3)中，将渗箱置于箱式炉中加热，渗硼温度800°C，当炉温到设定值后，在两极间加上30伏特的电压，保温时间4小时。试验结果45钢获得IlOym的渗硼层，其硬度在1200 1500HVai ；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 25 μ m0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)。渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度800°C，渗硼时间4小时，被渗试样和两侧板状电极间距离10mm，在板状电极间施加30伏特的交流电场。试验结果20钢获得90 μ m 的渗硼层，其硬度在1200 1500HVai ；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 X 4小时渗硼，渗硼层厚度只有20 μ m。实施例3被渗材料45钢；渗硼剂构成供硼剂(碳化硼，含量3% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5% ；氯化铵；1%)、疏松剂(木炭，2%)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度600°C，渗硼时间4小时。被渗试样和两侧板状电极间距离10mm，在板状电极和被渗试样间施加50伏特的交流电场。试验结果45钢获得30 μ m的渗硼层，其硬度在1100 1500HVa i ；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600°C X4小时渗硼，45钢上基本无渗硼层形成。
权利要求
1.交流电场加速粉末法渗硼的方法与装置，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两个平行的板状电极，两极分别联接在一个电压在0 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上，待处理工件在两电极之间，两侧分别距离电极10 100mm，板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550 950°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的交流电压。
2.实现权利要求1所述的的交流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于由盛放欲渗硼零件(7)、渗硼剂(5)的渗箱C3)及其箱盖(1)与密封O)、置于粉末渗硼剂中的两个平行板状电极(6) (8)、电压在0 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源系统(9)构成， 交流电源两极分别由导线(4)连接两个电极(6) (S)0
3.根据权利要求2所述的交流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于所述板状电极材料厚度范围为0. 2 10mm，采用熔点在1200°C以上的金属材料制作。
4.根据权利要求2所述的交流电场增强粉末法渗硼的装置，其特征在于板状电极与欲渗硼零件之间的距离为10 100mm。
全文摘要
本发明为一种用于金属零件表面强化的交流电场加速粉末法渗硼的方法与装置，其采取在粉末渗硼剂中放置两个平行的板状电极，两电极分别由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，被处理零件位于两电极之间，电极和零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中加热，当炉温到设定值后，在两极间施加适当交流电压，即可实现零件的快速渗硼。该法与现行方法相比，在550～950℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.5～3倍，供硼剂的用量减少70％以上。因此，该方法与装置可提高金属零件的粉末法渗硼速度、提高渗硼剂的利用率、降低渗硼温度、减少零件变形。
文档编号C23C8/68GK102168243SQ201110069659
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者孙力, 谢飞 申请人:常州大学