专利名称：金属钛表面渗硼用渗硼剂及渗硼工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及金属钛表面渗硼用渗硼剂及渗硼工艺。
背景技术：
金属钛是一种综合性能极其优异的结构材料，其比强度大，耐热性好，耐蚀性强， 因此宇航、石化和原子能发电等技术产业中的应用日益广泛。然而，钛金属亦存在不可忽视的弊端例如耐磨性差，容易发热胶着，极易高温氧化和吸氢，从而导致塑性和强度降低，金属钛及其合金在强腐蚀环境中长期使用也会发生腐蚀现象。因此钛金属表面的优化强化成为国内外学者研究的焦点。渗硼是行之有效的表面硬化热处理工艺，因为渗硼层一般都具有比较高的耐磨性，较高的疲劳强度，良好的耐腐蚀性，红硬性，抗高温氧化性和耐热性等优良性能。
现有常用的渗硼方法有粉末冶金合成法、化学气相沉积合成法、直接合成法、自蔓延高温合成法、高温熔盐浸渍法、金属(碳)还原法以及熔盐电解法等。其中，粉末冶金烧结合成法耗时长、耗能多；化学气相沉积法工艺要求苛刻、复杂，而且主要得到较薄的TiB2 层；直接合成法所用原料昂贵、成本高，金属还原法一般在惰性气氛下或真空条件下进行， 制备成本高；自蔓延高温合成法制作时间短，但合成出来的产品多孔、结构疏松；高温熔盐浸渍法要求保温时间长，含氟化物多，后处理较烦琐，很难得到整洁的渗硼表面。以上工艺基本都存在操作温度偏高，渗硼层不均勻，对渗硼设备要求高，渗硼剂使用周期短，能耗较大等不足。公开号为CN1603452的发明专利，提供了一种金属表面渗硼层的快速制备方法， 其步骤为1、将渗硼剂置于陶瓷坩埚中；2、将工件或试样置于装有渗硼剂的坩埚中；3、将上述步骤2中装有工件和渗硼剂的陶瓷坩埚置于微波加热腔内；4、微波加热升温到550 1100°C，保温0.5 1.5小时，即可在工件表面制备渗硼层；所述的渗硼剂可以是液体、固体或膏状体渗硼剂，选用质量组成为70%硼砂+30% B4C、70%硼砂+20% SiC+10% NaF或 Na2C03,40% B4C+50% CaF2+10% Na2SiF6,5% B4C+5% KBF4+10% NH4C1+余量 SiC、72% B-Fe+5% KBF4+23%木炭粉和 50%硼砂 +10% SiC+10% KCl+20% Na2AlFe6+5% B4C+5% Cr203组成的渗硼剂中的任一种。该发明专利较好地克服了目前化学热处理温度高、时间长的局限，但其所制得的渗硼层较薄，且其渗硼层仅经过加热处理，没有进一步进行固化处理，导致工件表面的渗硼层硬度不够理想，容易脱落。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属钛表面渗硼用渗硼剂及渗硼工艺。采用本发明所述渗硼剂及工艺对金属钛进行渗硼得到的渗硼层厚且均勻，硬度高，结合力好。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
金属钛表面渗硼用渗硼剂，按质量百分比由以下组分组成
~彻840720 35少0
压80310 20少0
840 1 0 200/0 ^0115 25少0
^510115 25少0
1 5少0。
〔0008〕 上述各组分的质量百分比优选为 〔0009〕
^32840725 35少0
扎80310 15少0
8401 5 20少0
^0115 20少0
^510115 20少0
1 3少0。
〔0010〕 采用上述组成的渗硼剂对金属钛表面渗硼的渗硼工艺，包括以下步骤 〔0011〕 0配制渗硼剂按配比量称取各组分，混勻，得到渗硼剂，烘干备用； 〔0012〕 2、对金属钛样品表面进行预处理；
〔0013〕 3〉渗硼处理将烘干的渗硼剂装入石墨坩埚并将石墨坩埚置于电阻炉中，加热至 渗硼剂熔化，将钛样品浸入渗硼剂熔体，于850 9501条件下保温0丨5 3、将钛样品从 渗硼剂熔体中取出，置于淬冷剂中淬火，即在钛样品表面制得渗硼层。 〔0014〕 上述方法中，
^00153 步骤丨)中，烘干的温度通常为120 160。0。
〔0016〕 步骤2〉中，所述对金属钛样品表面进行预处理可按常规方法进行，优选是包括除 油处理和浸浊处理。其中，进行除油处理的除油液为氢氧化钠、碳酸钠、磷酸和硅酸钠溶于 水中得到的水溶液，它们的浓度分别为氢氧化钠10 158几，碳酸钠22 278几，磷酸55 658几，硅酸钠6 108几；除油时金属钛样品在除油液中的浸泡时间一般为8 口时！!，除 油液的温度为70 801。进行浸浊处理的浸浊液由2.0^ (^八)氢氟酸溶液和20^卜八) 硝酸溶液按1 1的体积比混合组成；浸浊时金属钛板在浸浊液中的浸泡时间一般为3 501！！。这里所说的金属钛可以是纯金属钛，也可以是钛合金。
〔0017〕 步骤3〉中，金属钛样品只要浸没于渗硼剂熔体中即可，优选是将金属钛样品浸入 渗硼剂熔体液面以下1 20！！！。
〔0018〕 步骤3〉中，所述保温的时间优选为1 21！。当保温时间超过38时，渗硼层的厚度 增加并不明显。
〔0019〕 步骤3〉中，所述的淬冷剂为水或硅油。 〔0020〕 与现有技术相比，本发明的优点在于
〔0021〕 1、本发明所述渗硼剂氟化物含量少、无腐蚀性、高温流动性好、初晶温度低、可循 环使用且可用周期长，价格低廉；
〔0022〕 2、本发明所述渗硼工艺先是将金属钛样品置于特定组成的渗硼剂熔体中，保温一 定时间使金属钛样品表面形成渗硼层，然后再通过淬火操作对渗硼层进行固化，以在金属钛样品表面得到厚且均勻、硬度高、结合力好的渗硼层，且金属钛样品表面的熔盐易处理；
3、本发明所述渗硼工艺操作简单易控，渗硼剂损失少；操作时间短，能耗低，适合工业生产。
图1为按本发明实施例1所述工艺渗硼后的样品的XRD图谱；其中，实心圆形表示钛基体，实心方块表示二硼化钛，实心三角形表示一硼化钛；
图2为按本发明实施例1所述工艺渗硼后的样品断面的SEM图3为按本发明实施例1所述工艺渗硼后的样品的EDS图谱；
图4为按本发明按实施例2所述工艺进行渗硼，以不同试样在同一温度下保温不同时间所得样品的XRD图谱；其中，实心圆形表示钛基体，实心方块表示二硼化钛，实心三角形表示一硼化钛；
图5、6、7、8为按本发明实施例2所述工艺渗硼后的样品的SEM图9为按本发明实施例3所述工艺渗硼后的样品的SEM图
图10为按本发明实施例3所述工艺渗硼后的样品的XRD图谱与标准卡的对比图； 其中，实心椭圆表示一硼化钛，实心方块表示钛基体，实心三角形表示二硼化钛；
图11为按本发明实施例4所述工艺渗硼后的样品的SEM图12为按本发明实施例4所述工艺渗硼后的样品的XRD图谱；其中，实心方块表示二硼化钛，实心三角形表示一硼化钛；
图13为按本发明实施例5所述工艺渗硼后的样品的XRD图谱；其中，实心方块表示二硼化钛，实心圆形表示钛基体；
图14为按本发明实施例5所述工艺渗硼后的样品的SEM图15为按本发明实施例6所述工艺渗硼后的样品的SEM图16为按本发明实施例6所述工艺渗硼后的样品的XRD图谱；其中，实心方块表示钛基体，实心圆形表示一硼化钛，实心三角形表示二硼化钛。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
渗硼剂组成28%Na2B4O7,20% H3BO3^ 17% B4CU5% KCl,18% NaCl,2% KBF40
渗硼工艺首先将钛合金板线切割成15mm*15mm*3mm(长*宽*厚)的型材，然后用150号砂纸将型材粗磨抛光，再依次用600号、800号和1200号的砂纸细磨抛光，再用绒布抛光，以上述经抛光处理后的型材为试样，然后按以下步骤处理
1)按上述渗硼剂配方称取各组分，置于行星球磨机球磨lh，过150目筛后，于 130°C条件下烘干，备用；
2)对试样表面进行预处理，包括
A、将试样置于80°C的除油液中浸泡lOmin，除油液的配方为每升水中含有15g氢氧化钠、22g碳酸钠、60g磷酸和IOg硅酸钠；
B、从除油液中取出试样，然后放入浸浊液中的浸泡时间5min，浸浊液由2. 0% (ν/ν)氢氟酸溶液和20% (ν/ν)硝酸溶液按1 1的体积比混合组成；
C、从浸浊液中取出试样，用去离子水冲洗，晾干待用；
3)渗硼处理将烘干的渗硼剂装入石墨坩埚中压实并将石墨坩埚置于电阻炉(高温进式炉)中，加热至渗硼剂熔化，将经过步骤幻处理后的试样浸入渗硼剂熔体液面以下 2cm,于900°C保温池，之后将试样从渗硼剂熔体中取出，随即浸入去离子水中进行淬火；
4)渗硼后处理将冷却后的试样置于100°C去离子水超声波洗去表面的剩余的硼化物和氯化物残渣，烘干。
取样品进行表征检测
经X射线衍射分析仪(XRD)检测，XRD图谱(如图1所示)显示样品表面渗硼层分别含有一硼化钛和二硼化钛，其中，实心圆形表示钛基体，实心方块表示二硼化钛，实心三角形表示一硼化钛。
经扫描电镜(SEM)检测，渗硼层分层明显，界面清晰，一硼化钛层的厚度大约为 34. 5微米，二硼化钛层厚度为43. 5微米，样品的SEM图谱如图2所示。
对样品表面进行EDS分析，所得数据如下述表1所示，样品的EDS图谱如图3所示。
表1
权利要求
1.金属钛表面渗硼用渗硼剂，按质量百分比由以下组分组成Na2B4OH3BO3B4CKClNaClKBF4。
2.根据权利要求1所述的金属钛表面渗硼用渗硼剂，其特征在于各组分的质量百分比为
3.采用权利要求1所述的渗硼剂对金属钛表面渗硼的渗硼工艺，其特征在于包括以下步骤1)配制渗硼剂按配比量称取各组分，混勻，得到渗硼剂，烘干备用；2)对金属钛样品表面进行预处理；3)渗硼处理将烘干的渗硼剂装入石墨坩埚并将石墨坩埚置于电阻炉中，加热至渗硼剂熔化，将钛样品浸入渗硼剂熔体，于850 950°C条件下保温0. 5 池，将钛样品从渗硼剂熔体中取出，置于淬冷剂中淬火，即在钛样品表面制得渗硼层。
4.根据权利要求3所述的渗硼工艺，其特征在于步骤幻中，钛样品浸入渗硼剂熔体液面以下1 2cm。
5.根据权利要求3所述的渗硼工艺，其特征在于步骤3)中，所述保温的时间为1 2h。
6.根据权利要求3、4或5所述的渗硼工艺，其特征在于步骤；3)中，所述的淬冷剂为Na2B4OH3BO3B4CKClNaClKBF4水或硅油。
全文摘要
本发明公开了一种金属钛表面渗硼用渗硼剂及其制备方法。所述的渗硼剂按质量百分比由以下组分组成Na2B4O720～35％；H3BO310～20％；B4C10～20％；KCl15～25％；NaCl15～25％；KBF41～5％。本发明所述渗硼工艺先是将金属钛样品置于特定组成的渗硼剂熔体中，保温一定时间使金属钛样品表面形成渗硼层，然后再通过淬火操作对渗硼层进行固化，以在金属钛样品表面得到厚且均匀、硬度高、结合力好的渗硼层，且金属钛样品表面的熔盐易处理。本发明所述渗硼工艺操作简单易控，渗硼剂损失少；操作时间短，能耗低，适合工业生产。
文档编号C23C8/42GK102517542SQ201110422508
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者任孟德, 李庆余, 王红强, 赵欣, 郑锋华, 黄有国 申请人:广西师范大学