專利名稱：一種工件滲前冷變形的硼－鉻－稀土共滲工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形變化學(xué)熱處理工藝，具體地說是一種工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝。
背景技術(shù)：
滲硼是近代發(fā)展起來的一種新型熱處理工藝，一般指向鋼鐵材料中滲入硼元素，以獲得鐵硼化物的熱處理工藝。鋼經(jīng)過滲硼以后，表面具有很高的硬度(可達(dá)1300～2100HV)和耐磨性，良好的抗蝕性，抗氧化性和熱硬性。該工藝已逐漸成為廣泛應(yīng)用的表面擴散滲入處理工藝，在石油化工機械，汽車拖拉機制造，紡織機械，工模具等方面的應(yīng)用日漸增多。適合滲硼的材料也十分廣泛，幾乎所有的鋼鐵材料，如結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硬質(zhì)合金等都可以進(jìn)行滲硼處理。氣體滲硼和離子滲硼因采用的BCl3、B2H6介質(zhì)，存在價格高、劇毒、易爆等問題，未能用于生產(chǎn)。液體滲硼由于所用坩堝使用壽命短，工件表面粘鹽不易清理及質(zhì)量較難控制等問題，其應(yīng)用在一定程度上受到限制。從上世紀(jì)70年代開始，人們開始重視固體滲硼。
與其它化學(xué)熱處理一樣，滲硼也存在明顯的缺點，如滲硼速度慢和滲硼層脆性大。由于滲硼一般在鋼鐵材料的共析溫度以上進(jìn)行，滲后冷卻勢必造成工件發(fā)生相變，使工件產(chǎn)生變形。這樣，工件經(jīng)機加工后留下的滲硼層明顯變薄。滲硼層雖然硬度很高，但脆性較大。因為鐵硼化合物本身是硬脆的金屬化合物，加之不同硼化物之間以及硼化物與基體之間在比容和膨脹系數(shù)上的差異，易造成在承受較大沖擊載荷或溫度急劇變化時，產(chǎn)生不利的殘余應(yīng)力，造成深層的剝落和開裂。以上是滲硼的主要缺點，也是其應(yīng)用受限的重要原因。
目前國內(nèi)滲硼工藝主要應(yīng)用在工作條件惡劣的工模具和易磨損的零件上，其主要目的是為了提高零部件的耐磨性和使用壽命，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。目前主要通過兩個途徑來達(dá)到這一目的第一，使用原來的材料通過滲硼來延長其使用壽命。第二，用廉價材料通過滲硼來替代昂貴材料。滲硼工件由工模具擴大到機器零件，由普通工件擴大到精密工件，在機械、冶金、石油、化工、輕工、煤礦、農(nóng)機等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，但是從大量的研究中發(fā)現(xiàn)，它們大多應(yīng)用在尺寸要求不十分嚴(yán)格的工模具和易損件上，而在精密件上的應(yīng)用卻比較少。滲硼及其后續(xù)熱處理使工件尺寸變化較大，從而嚴(yán)重限制了滲硼在精密件上的應(yīng)用，故還需大量研究和開發(fā)加工滲硼件的新工藝，新方法及工具?？傊挥休^好地解決了滲硼的兩個缺點，才能更廣泛地擴大滲硼的應(yīng)用。
隨著生產(chǎn)中新型壓力加工方法不斷出現(xiàn)，如冷擠壓、滾壓、冷拔、噴丸、超塑性變形等成型工藝，形變化學(xué)熱處理得到迅速發(fā)展。它以其特別的優(yōu)勢，如加速化學(xué)熱處理動力學(xué)過程，改善滲層組織性能；大幅度提高鋼鐵零件抗磨損、耐疲勞等與表面強化有關(guān)的性能；節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本等，逐步為人們所重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有滲硼技術(shù)的不足，提供一種可以增加滲層深度和速度，抑制FeB生長，有利于Fe2B形成，且Fe2B針齒細(xì)密直長，滲層厚、脆性低、滲劑成本低，把滲前工件的冷塑性變形與硼-鉻-稀土共滲結(jié)合起來的共滲工藝。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝，先對工件進(jìn)行噴丸處理，再將配制好的粉末狀或顆粒狀的硼-鉻-稀土共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)，噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升溫至840-860℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫3.8-4.2小時，然后出爐空氣冷卻，最后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。
所述的對工件進(jìn)行噴丸處理是采用Q3110A型噴丸機，噴丸時間為50-70分鐘，鋼丸采用直徑約為1.4mm的鑄鋼球，鋼球線速度為50-70m/s。
所述的共滲劑是通過L18(61×36)L8(41×24)泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，共滲劑主要由工業(yè)硼砂、高碳鉻鐵、稀土、復(fù)合活化劑、還原劑和石墨組成，其配制過程如下a.將高碳鉻鐵、稀土、硅鈣合金粉碎成90-110目；b.將硼砂在400-500℃脫水后碾成90-110目的粉末；c.將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在140-160℃烘干2-3小時；若配制成粒狀，則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在90-110℃。
形變硼-鉻-稀土共滲機理分析冷塑性變形對共滲層深度、硬度和脆性的影響實驗表明，形變硼-鉻-稀土共滲，對共滲層組織和性能產(chǎn)生了極大影響，硼齒細(xì)長平直，均勻致密；滲層深度明顯增加。噴丸1.5h的試樣與未塑變的試樣相比，共滲速度可提高28％～45％；同時滲層還保持了較高的硬度(1300～1800HV)和較低的脆性。形變引起的大量位錯，為硼原子的擴散提供了有利“通道”。硼原子沿著位錯進(jìn)行擴散時所需要的激活能小于在點陣內(nèi)擴散時的激活能；并且在位錯的附近區(qū)域，原子的躍遷頻率同樣大于點陣內(nèi)部，硼原子沿著這些“通道”更容易進(jìn)行擴散。同時進(jìn)入試樣表層的硼原子或剛剛形成的硼化物晶核就會“釘扎”在位錯線周圍，對形變組織的恢復(fù)與再結(jié)晶起到阻礙作用，使其延遲或不能進(jìn)行，從而加速了滲層的形成和生長。隨位錯密度的增加，系統(tǒng)中的自由焓明顯增加，硼原子在晶體中的吸附和擴散速度會加快。共滲層脆性下降的原因可歸結(jié)為一是Cr的溶入改善了Fe2B相的價電子空間鍵絡(luò)分布不均勻的狀況，使Fe2B相的本質(zhì)脆性得以下降；二是形變共滲利于Fe2B單相的形成，從而減少了因FeB造成的微裂紋；三是過渡層增厚，硬度梯度變緩。共滲層組織和成分與單一滲硼層相比，共滲層保持有單一滲硼層的組織特征，但共滲層較為致密，表面疏松較輕，硼齒細(xì)長平直；同時，共滲層的過渡區(qū)增厚，過渡區(qū)中珠光體含量增多(45鋼)，齒間組織少。經(jīng)三鉀試劑腐蝕后的共滲層組織觀察表明，共滲層基本由(Fe，Me)2B單相組成(Me為鉻和稀土元素)，深褐色的FeB相極少。微區(qū)成分分析指出鉻在共滲層中基本為均勻分布，而稀土則多偏聚在晶界處。過渡區(qū)珠光體含量較多的原因是由于在相同處理條件下共滲試樣的滲層厚，而碳原子又不溶于硼化物中，因此在滲層形成過程中，表層的碳原子被推移到硼齒與基體結(jié)合的部位，在此區(qū)域形成富碳區(qū)。
共滲層形成共滲層柱狀晶頂端比晶粒內(nèi)含有較多的稀土元素，這可能是稀土原子首先被吸附、后滲入試樣表面的緣故。這是因為1.稀土原子的電負(fù)性低，非常容易失去電子，致使其活性高于鉻、硼原子；2.由于稀土原子的5d和6s能級很近，在850℃高溫下，稀土原子6s軌道的電子很容易向5d軌道躍遷，引起原子極化而導(dǎo)致原子半徑減少；3.稀土原子具有獨特的4f電子結(jié)構(gòu)，其4f層對原子核電荷封閉不嚴(yán)，顯示出較大的有效核電荷(特別是無4f電子結(jié)構(gòu)的La和僅有2個4f電子結(jié)構(gòu)Ce)。因此，可以認(rèn)為稀土原子對周圍電子有較強的吸引作用，結(jié)果是優(yōu)先被吸附于工件表面或攜帶數(shù)個活性B原子和少量Cr原子被吸附。稀土原子的短程擴散(特別是通過形變引起的大量位錯等缺陷處進(jìn)行)引起基體點陣畸變，加劇點陣結(jié)點上Fe原子震動，促進(jìn)晶體中新空位的形成。然后，B和少量Cr原子占據(jù)此空位、聚集、擴散，形成(Fe，Me)2B相，這樣就會使硼化物(Fe2B)的形核數(shù)量增多，柱狀晶變細(xì)變小，組織致密。
當(dāng)表面共滲層連成片時，稀土原子的擴散受到阻礙，大部分隨晶界滲入到滲層內(nèi)部。由稀土元素在孔洞處富集的事實推測，稀土原子填充了由于鐵及其它原子的內(nèi)遷而形成的空位，使?jié)B層的孔洞變小。而鉻原子則按照置換方式通過共滲層，到達(dá)過渡區(qū)。硼化物對碳原子有排斥作用，共滲層中沒有足夠的碳與鉻形成化合物，故鉻原子在共滲層中基本均勻分布。由于Si，P，S等雜質(zhì)元素不溶于共滲層而被推移到晶界處，稀土元素與它們有很強的親和力，因此，稀土在沿晶界滲入的過程中，與雜質(zhì)反應(yīng)生成熔點高、熱力學(xué)穩(wěn)定的稀土化合物，減輕了雜質(zhì)的有害作用。
本發(fā)明的有益效果是采用該工藝，能夠改善滲層組織，在不降低滲層硬度的前提下降低了滲層脆性，同時也提高了滲層的抗磨損性能。硼-鉻-稀土共滲可使?jié)B層晶界電子分布趨于均勻化、減輕有害元素在晶界上偏聚以及容易獲得低硼相，使?jié)B層脆性下降。硼-鉻-稀土共滲研究證明，采用共滲工藝能獲得較深的滲層和致密的組織，且鉻元素和稀土元素可固溶于Fe2B中，同時過渡層增厚，硬度梯度變緩。鉻在共滲層中基本為均勻分布，而稀上則多偏聚在晶界處。


圖1是噴丸1.5h、850℃×4h下的45鋼試樣共滲層的組織形貌圖；圖2是噴丸1h、850℃×4h下的45鋼試樣共滲層的組織形貌圖；圖3是無塑性變形、噴丸1h和噴丸1.5h的45鋼試樣在850℃×4h條件下的共滲層硬度圖；圖4是噴丸1.5h、850℃×4h下的T8鋼試樣共滲層的組織形貌圖；圖5是噴丸1h、850℃×4h下的T8鋼試樣共滲層的組織形貌圖；圖6是無塑性變形、噴丸1h和噴丸1.5h的T8鋼試樣在850℃×4h條件下共滲層硬度圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
實施例1對45號鋼試樣噴丸1.5小時然后在850℃×4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進(jìn)行觀察和檢測。其工藝過程如下1.對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機，噴丸時間為90分鐘，鋼丸采用直徑約為1.4mm的鑄鋼球，鋼球線速度為70m/s。
2.共滲劑配制共滲劑是通過L18(61×36)L8(41×24)泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，粉末狀或制成顆粒狀共滲劑主要由工業(yè)硼砂、高碳鉻鐵、稀土、復(fù)合活化劑，還原劑和石墨組成；其配制過程如下a.將高碳鉻鐵，稀土，硅鈣合金粉碎成100目；b.將硼砂在500℃脫水后碾成100目的粉末；c.將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在150℃烘干3小時；若配制成粒狀，則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在100℃。
3.裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)。
4.硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，100℃烘干；再升溫至850℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫4小時，然后出爐空氣冷卻。
5.滲后處理滲后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。
實施例2對45號鋼試樣噴丸1小時然后在850℃×4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，其工藝過程如下1.對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機，噴丸時間為60分鐘，鋼丸采用直徑約為1.4mm的鑄鋼球，鋼球線速度為50m/s；2.共滲劑配制共滲劑是通過L18(61×36)L8(41×24)泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，粉末狀或制成顆粒狀共滲劑主要由工業(yè)硼砂、高碳鉻鐵、稀土、復(fù)合活化劑、還原劑和石墨組成，其配制過程如下a.將高碳鉻鐵，稀土，硅鈣合金粉碎成90目；b.將硼砂在400℃脫水后碾成90目的粉末；c.將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在140℃烘干2小時；若配制成粒狀，則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在90℃；3.裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)；4.硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90℃烘干；再升溫至850℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫3.8小時，然后出爐空氣冷卻；5.滲后處理滲后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。
如圖1、圖2所示，通過室溫噴丸處理，在850℃×4h下得到的滲層組織較沒有塑變的滲層組織致密，硼齒細(xì)長平直且中間的夾雜較少，滲后深度在噴丸1.5h和1h時分別可達(dá)113um和100um，明顯加速了滲硼速度。從圖1、圖2還可以看出共滲層均勻，表面疏松較輕。45鋼經(jīng)噴丸處理，因形變在鋼中引入的位錯結(jié)構(gòu)對滲層形成和生長的影響可以得以解釋隨變形量增加，位錯胞被拉長，胞壁中位錯密度增大；與未變形試樣比，形變試樣表面因含有大量位錯而使表面活化，從而加速了滲硼初期表面對硼原子的吸附過程，進(jìn)入試樣表層的硼原子或剛剛析出的硼化物小顆粒對形變組織的恢復(fù)或再結(jié)晶將起到阻礙作用，使其延遲或不能進(jìn)行，從而加速了滲層的形成和生長。如圖3所示，共滲后，滲層硬度較無塑性變形情況下稍有提高，因而保持了較高的硬度。
實施例3對T8號鋼試樣噴丸1.5小時，在850℃×4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進(jìn)行觀察和檢測。其工藝過程如下1.對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機，噴丸時間為90分鐘，鋼丸采用直徑約為1.4mm的鑄鋼球，鋼球線速度為70m/s；2.共滲劑配制共滲劑是通過L18(61×36)L8(41×24)泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，粉末狀或制成顆粒狀共滲劑主要由工業(yè)硼砂、高碳鉻鐵、稀土、復(fù)合活化劑、還原劑和石墨組成；其配制過程如下a.將高碳鉻鐵，稀土，硅鈣合金粉碎成100目；b.將硼砂在500℃脫水后碾成100目的粉末；c.將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在150℃烘干3小時；若配制成粒狀，則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在100℃；3.裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)；4.硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，100℃烘干；再升溫至850℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫4小時，然后出爐空氣冷卻；5.滲后處理滲后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。
實施例4對T8號鋼試樣噴丸1小時，在850℃×4h條件下進(jìn)行硼-鉻-稀土共滲，滲后對試樣進(jìn)行觀察和檢測。其工藝過程如下1.對工件進(jìn)行噴丸處理采用Q3110A型噴丸機，噴丸時間為60分鐘，鋼丸采用直徑約為1.4mm的鑄鋼球，鋼球線速度為50m/s。
2.共滲劑配制共滲劑是通過L18(61×36)L8(41×24)泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑。粉末狀或制成顆粒狀共滲劑主要由工業(yè)硼砂、高碳鉻鐵、稀土、復(fù)合活化劑、還原劑和石墨組成，其配制過程如下a.將高碳鉻鐵，稀土，硅鈣合金粉碎成90目；b.將硼砂在400-500℃脫水后碾成90目的粉末；c.將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在140℃烘干2小時。若配制成粒狀，則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在90℃；3.裝箱在烘干好的共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)；4.硼-鉻-稀土共滲噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90℃烘干；再升溫至850℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫3.8小時，然后出爐空氣冷卻。
5.滲后處理滲后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。
如圖4、圖5所示，通過室溫噴丸處理后，在850℃×4h下得到的滲層組織較沒有塑變的滲層組織更加致密，硼齒細(xì)長平直且中間的夾雜較少，滲后深度在噴丸1.5h和1h時分別可達(dá)73um和60um，明顯加速了滲硼速度。從圖4、圖5還可以看出共滲層均勻，表面疏松較輕。T8鋼經(jīng)噴丸處理，因形變在鋼中引入的位錯結(jié)構(gòu)對滲層形成和生長的影響可以得以解釋隨變形量增加，位錯胞被拉長，胞壁中位錯密度增大，與未變形試樣比，形變試樣表面因含有大量位錯而使表面活化，從而加速了滲硼初期表面對硼原子的吸附過程，進(jìn)入試樣表層的硼原子或剛剛析出的硼化物小顆粒對形變組織的恢復(fù)或再結(jié)晶將起到阻礙作用，使其延遲或不能進(jìn)行，從而加速了滲硼層的形成和生長。如圖6所示，共滲后，滲層硬度較無塑性變形情況下大致相同，因而保持了較高的硬度。
權(quán)利要求
1.一種工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝，其特征在于先對工件進(jìn)行噴丸處理，再將配制好的粉末狀或顆粒狀的硼-鉻-稀土共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)，噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90-110℃烘干；再升溫至840-860℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫3.8-4.2小時，然后出爐空氣冷卻，最后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝，其特征在于所述的對工件進(jìn)行噴丸處理是采用Q3110A型噴丸機，噴丸時間為50-70分鐘，鋼丸采用直徑約為1.4mm的鑄鋼球，鋼球線速度為50-70m/s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工件滲前冷變形的硼-鉻-稀土共滲工藝，其特征在于所述的共滲劑是通過L18(61×36)L8(41×24)泛選、精選出的粉末狀硼-鉻-稀土共滲劑，共滲劑主要由工業(yè)硼砂、高碳鉻鐵、稀土、復(fù)合活化劑、還原劑和石墨組成，其配制過程如下a.將高碳鉻鐵、稀土、硅鈣合金粉碎成90-110目；b.將硼砂在400-500℃脫水后碾成90-110目的粉末；c.將上述步驟a、b中各組分按比例配好混合均勻后在140-160℃烘干2-3小時；若配制成粒狀，則將各組分全部按比例配出，此時烘干溫度應(yīng)在90-110℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工件滲前冷變形的硼－鉻－稀土共滲工藝，先對工件進(jìn)行噴丸處理，再將配制好的硼－鉻－稀土共滲劑中加入尿素和氯化銨，混合均勻，裝入滲箱內(nèi)，噴丸處理后的工件表面經(jīng)除油除銹，非滲部位用石墨或者石棉繩保護(hù)，滲箱底層及頂部填充共滲劑，將工件埋入填充有粉末或粒狀共滲劑的滲箱里，工件與箱壁間距離應(yīng)大于30mm；滲箱用雙層水玻璃泥密封后，90－110℃烘干；再升溫至840－860℃，到溫入加熱爐，到溫后計時保溫3.8－4.2小時，然后出爐空氣冷卻，最后對工件進(jìn)行淬火和低溫回火處理。采用該工藝，能夠改善滲層組織，在不降低滲層硬度的前提下降低了滲層脆性，同時也提高了滲層的抗磨損性能。
文檔編號C21D7/06GK1876896SQ20061004518
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者許斌, 宋月鵬, 馮承明, 邢士波, 李木森, 楊樂 申請人:山東建筑大學(xué)