一种钛表面固体渗硼用渗硼剂及渗硼工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种钛表面固体渗硼用渗硼剂及渗 硼工艺。
【背景技术】
[0002] 金属钛具有重量轻、强度高、良好的耐腐蚀能力等优点，其金属材料在许多方面都 有着广泛的应用，包括航天、军事、汽车、医疗器械、运动用品、手机等。然而，钛的抗磨损能 力差，高温条件下易氧化和吸氢，导致钛器件性能变差甚至失效，使用寿命降低。近年来，通 过钛表面改性来强化钛的摩擦学性能、耐高温、耐蚀性能成为了相关领域专家的研宄焦点。 钛表面渗硼处理后，表面形成的TiB 2、TiB具有较高的硬度、良好的抗磨损性、良好的导电性 以及耐腐蚀性能。因此，渗硼是一种强化钛及钛合金材料表面性能，提高其使用寿命的良好 方法。
[0003] 固体渗硼法工艺简单，流程短。而且，固体渗硼法处理复杂形状工件时，也可以得 到厚度均匀的渗层组织。因此，目前工业上最受青睐的是固体渗硼法，应用最为广泛的也是 该法，其他渗硼方法一般仅停滞于实验室研宄。传统的固体渗硼法一般在固体粉末中进行， 渗硼剂中由供硼剂产生的B原子需要通过固-固扩散迀移到工件表面，而固-固扩散过程 极其缓慢，因此渗硼效率较低。同时，虽然渗硼过程中一般会采用惰性保护气氛，但是在氧 分压较低的条件下一些金属（如Ti、Al)也会被氧化，阻碍B向基体内扩散。而且，固体渗 硼时多要用到1?匕等氟硼酸盐作为活化剂，而氟硼酸盐在渗硼时会分解产生BF 3等极具毒 性的气体，污染环境，威胁操作者人身安全，而且氟化物对某些材质（如Ti)的工件有腐蚀 作用。另外，传统方法渗硼后，工件表面附着物难清理干净，这可能会影响工件的后续使用。
[0004] 本发明为解决上述问题，提出了一种钛表面固体渗硼用渗硼剂及渗硼工艺，该渗 硼剂可以为B在渗硼剂中的扩散提供液相通道，加速B的扩散，且可保护工件不被氧化，提 高渗硼效率；同时该渗硼剂不含氟化物，不会产生对环境有污染的物质，且渗硼剂易与工件 分离。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对目前固体渗硼中存在的缺陷，提供一种渗硼效率高，渗硼 工件易清理，渗硼过程无污染，可得到厚度大且均匀的渗层的钛表面固体渗硼用渗硼剂及 渗硼工艺。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007] -种钛表面固体渗硼用渗硼剂，渗硼剂由以下组分组成：5~93. 9wt. %硼源、5~ 25wt. %低恪点化合物、1~IOwt. %固氧剂、0. 1~89wt. %稀释剂，其中硼源包括无定形 硼、晶体硼、硼铁中的一种或多种，低熔点化合物包括B203、Na 2B407、Na2B204、Κ 2Β407、Κ2Β204、 Li2B407、K2C03、Na 2CO3*的一种或多种，固氧剂包括Al粉、Mg粉中的一种或两种，稀释剂包 括A120 3、MgO中的一种或两种。
[0008] 硼源的优选比例范围为60~93wt. %，优选无定形硼。
[0009] 低熔点化合物的优选比例范围为5~15wt. %，优选B203、Na2B407、Na 2B2CV Κ2Β407、 K2C03、Na2CO3中的一种或多种。
[0010] 固氧剂的优选比例范围为1~6wt. %。
[0011] 稀释剂的优选比例范围为1~25wt. %。
[0012] 使用所述的渗硼剂的钛表面固体渗硼工艺，
[0013] (1)按配比称取渗硼剂各组分，混合均匀，备用；
[0014] (2)钛工件表面预处理，备用；
[0015] ⑶将混合均匀后的渗硼剂置于渗硼罐中，并将工件填埋在渗硼剂中，升温到目标 温度，保温，冷却，取出工件，清理工件表面附着的渗硼剂。
[0016] 步骤（1)中渗硼剂各组分预先置于真空干燥箱中干燥12h以上；并采用球磨方式 混合均匀，球磨时间控制在2~18h。
[0017] 步骤⑵中钛工件表面预处理的具体过程为：依次用180#、400#、600 #、800#、1000#、 1200#金相砂纸对金属工件表面进行机械抛光处理，除去工件表面氧化层并使表面变光滑， 再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗10~30min，最后用去离子水冲洗干净，吹干，待 用。
[0018] 步骤（3)中的目标温度控制在750~1300°C，优选为950~1200°C ;渗硼时间控 制在0· 5~24h。
[0019] 本发明所述渗硼剂并不一定限定于钛的表面渗硼处理，选用合适的低熔点化合 物、固氧剂，也可用于Fe、Ni、Mn、Co等其他金属材料的渗硼处理。
[0020] 本发明渗硼剂中低熔点化合物的作用在于提供液相微区，为B向工件表面的迀移 提供液相通道，加速B的溶解与扩散，提高渗硼效率。
[0021] 本发明所述固氧剂与氧的结合能力强于硼、Ti与氧的结合能力，且该固氧剂不与 Ti基体反应。
[0022] 本发明稀释剂的作用在于根据渗硼需要合理调控渗硼剂中硼的浓度。
[0023] 本发明的渗硼剂在渗硼过程中可防止钛工件表面被氧化，渗硼效率高，渗硼剂易 与工件分离，且安全、环保，容易得到厚度大且均匀的钛基改性硼化物层。本发明在优选渗 硼剂组分、优选渗硼温度、优选渗硼时间条件下，能得到厚度更大的硼化物层，这可以通过 实施例1-5的对比得出。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例1中试样物相分析图；
[0025] 图2为本发明实施例1中试样渗硼后截面微观形貌图。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
[0027] 本发明的渗硼工艺步骤如下：
[0028] (1)渗硼剂的配制
[0029] 按配比称取各组分（预先置于真空干燥箱干燥12h以上），球磨混合2~18h以 上，备用；（2)金属表面预处理
[0030] 依次用180#、400#、600#、800 #、1000#、1200#金相砂纸对钛工件表面进行机械抛光处 理，除去表面氧化层，用去离子水将工件清洗干净后，再将工件置于超声波清洗机中用丙酮 清洗10~30min，最后用去离子水冲洗干净，吹干，待用；
[0031] (3)渗硼处理
[0032] 将配制好的渗硼剂装入渗硼罐，同时，将钛工件填埋入渗硼剂，置于电阻炉或电频 炉中，通入惰性气体，升温至750~1200°C，保温0. 5~24h后，将钛工件取出，以适当方式 冷却，清理附着的电解质。采用的惰性气体包括Ar、He中的一种或两种。
[0033] 实施例1
[0034] 采用的渗硼剂组成为无定形硼、Na2B407、Al粉、Al 2O3，具体配比如表1所示。
[0035] 表1实施例1渗硼剂原料配比
[0036]
[0037] (1)渗硼剂的配制
[0038] 按配比分别称取上述烘干后的各组分，球磨6h，混合均匀，备用。
[0039] (2)金属表面预处理
[0040] 选用钛板似1)作为渗硼工件，钛板规格为40\30\3111111，依次用180#、400 #、600#、 800#、1000#、1200 #金相砂纸对工件进行机械抛光处理，除去表面氧化层，再将工件置于超声 波清洗机中用丙酮清洗20min，最后用去离子水冲洗干净，吹干，待用；
[0041] ⑶渗硼处理
[0042] 将配制好的渗硼剂装入渗硼罐，同时，将TAl钛板填埋入渗硼剂，置于电阻炉中， 通入Ar作为保护气氛，升温至900°C，保温2h后，将钛工件取出，以适当方式冷却，清理附着 的电解质。
[0043] 对工件进行XRD检测，其XRD图谱如图1所示，检测结果显示工件表面渗层由TiB、 TiB2组成。对工件截面进行SEM检测，其SEM图如图2所示，可以在工件表面看到双相硼化 物层，外层为TiBJl，且厚度均一，该层平均厚度为4. 87 μ m，次外层为TiB晶须层，该层晶 须平均长度达32. 87 μ m。
[0044] 实施例2
[0045] 采用的渗硼剂组成为无定形硼、Na2B407、Al粉、Al 2O3，具体配比如表2所示。
[0046] 表2实施例2渗硼剂原料配比
[0047]
[0048] (1)渗硼剂的配制
[0049] 按配比分别称取上述烘干后的各组分，球磨6h，混合均匀，备用。
[0050] (2)金属表面预处理
[0051] 选用钛板〇^1)作为渗硼工件，钛板规格为40\30\3111111，依次用180#、400 #、600#、 800#、1000#、1200 #金相砂纸对工件进行机械抛光处理，除去表面氧化层，再将工件置于超声 波清洗机中用丙酮清洗20min，最后用去离子水冲洗干净，吹干，待用；
[0052] (3)渗硼处理
[0053] 将配制好的渗硼剂装入渗硼罐，同时，将TAl钛板填埋入渗硼剂，置于电阻炉中， 通入Ar作为保护气氛，升温至950°C，保温2h后，将钛工件取出，以适当方式冷却，清理附着 的电解质。
[0054] 对工件进行XRD检测，工件的XRD图谱如图1所示，图谱显示工件表面渗层由TiB、 TiB2组成，未发现氧化物的存在。对工件截面进行SEM检测，可以在工件表面看到双相硼化 物层，外层为TiBJl，且厚度均一，该层平均厚度达6. 76 μ m，次外层为TiB晶须