專利名稱：一種節(jié)能高效制備單一Fe₂B滲層的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于對金屬零件表面進(jìn)行改性的技術(shù)，特指一種用于鋼鐵材料零件表面強(qiáng)化的節(jié)能高效制備單一 Fe2B相滲層的方法。
背景技術(shù)：
固體粉末法滲硼(簡稱粉末法滲硼)將硼元素滲入鋼鐵材料零件表層，形成具有很高硬度與耐磨性及一定的抗高溫氧化能力和抗腐蝕能力的滲硼層，從而能夠提高許多在摩擦、磨損及高溫氧化環(huán)境下使用的鋼鐵零部件的使用壽命，是目前應(yīng)用最廣的一種滲硼方法。滲硼層一般分為兩種類型單一 Fe2B相的單相滲層和FeB+Fe2B雙相滲層。工程上一般希望獲得單相Fe2B滲層，而不是FeB+Fe2B雙相滲層。這是因?yàn)榍罢唠m然硬度略低(HV1290 1680)，但韌性好，綜合性能更高，適用范圍廣；后者的FeB相位于滲層外側(cè)，雖然硬度(HV1890 2340)較內(nèi)側(cè)的Fe2B相的高，但脆性較大，并且由于兩種硼化物在比容、熱膨脹系數(shù)等方面的差異，結(jié)果滲層易開裂，韌性較差，不適合用于對承受重載荷及沖擊性載荷的零部件表面的強(qiáng)化。采用傳統(tǒng)的粉末法滲硼，為獲得單相Fe2B滲層，需要采用較低的滲硼氣氛，滲速較慢；或者通過對在較高滲硼氣氛下已經(jīng)獲得的FeB+Fe2B雙相滲層,在較高的溫度下于真空或鹽浴中另外進(jìn)行長時(shí)間擴(kuò)散處理，將其轉(zhuǎn)化為單相Fe2B滲層，但存在工時(shí)長、能耗高等不足之處。傳統(tǒng)工藝還存在供硼劑利用率不高的缺點(diǎn)。在傳統(tǒng)粉末法滲硼中，硼向被滲零件內(nèi)部擴(kuò)散的速度較慢是影響快速形成較厚單相Fe2B滲層的主要原因。由于硼的內(nèi)擴(kuò)散速度較慢，當(dāng)滲硼氣氛的硼勢較高時(shí)，硼在表層富集，就會與先期形成的Fe2B相反應(yīng)，在滲硼層中Fe2B相的外側(cè)形成FeB相，得到FeB+Fe2B雙相滲層；當(dāng)滲硼氣氛的硼勢降低至一定程度時(shí)，雖可避免FeB相的形成，得到單相Fe2B滲層，但低的硼勢又進(jìn)一步相應(yīng)降低滲速；另外，滲箱內(nèi)含硼氣氛擴(kuò)散至滲硼件表面僅依靠熱擴(kuò)散來達(dá)到，也不利于滲硼件表面快速獲得新鮮含硼氣氛。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)粉末法滲硼中制約Fe2B相快速形成的主要原因，本發(fā)明通過改進(jìn)傳統(tǒng)粉末法滲硼裝置，在粉末滲硼劑與被處理零件上施加適當(dāng)?shù)慕涣麟妶?，利用交流電場的物理作用，一方面在被滲零件表層增加硼向基體內(nèi)擴(kuò)散的通道，加快硼在零件表層向基體內(nèi)的擴(kuò)散速度；另一方面，利用交流電場強(qiáng)化滲硼劑間的化學(xué)反應(yīng)，高效率提供活性硼原子，增加活性硼原子的濃度與活性；同時(shí)交流電場還能促進(jìn)含硼氣氛在滲箱內(nèi)的擴(kuò)散，加速含硼氣氛在滲硼件表面的更新，大幅度提高供硼劑的利用率，從而可以采用供硼劑含量較低的滲硼劑，而不降低滲硼速度，從而降低滲劑成本；再配以優(yōu)化的處理溫度與處理時(shí)間，即可高效獲得厚度可達(dá)100 μ m以上的單一 Fe2B相滲層。滲速可提高一倍以上，供硼劑的利用率相應(yīng)提高。
本技術(shù)發(fā)明所述工作方法，其特征為在耐熱金屬滲箱中放置一個(gè)與滲箱四周側(cè)壁平行的柱狀電極，柱狀電極不接觸滲箱，柱狀電極與滲箱壁通過耐高溫導(dǎo)線分別聯(lián)接在一個(gè)電壓在O 250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源上；欲處理零件放置在滲箱中，被處理零件與柱狀電極、滲箱四壁、滲箱頂部及底部的距離不小于IOmm ;零件欲滲硼表面間距離也不小于IOmm ;由供硼劑、活化劑、催滲劑、填充劑和疏松劑組成的固體粉末滲硼劑完全填充滲箱，并與欲處理零件、柱狀電極一起通過耐火泥密封在滲箱中；將滲箱置于箱式爐中加熱，溫度范圍為500°C 850°C，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在兩極間加上O 250伏之間的交流電壓，電流在I 20安培之間，根據(jù)所要求的單相Fe2B滲層厚度確定保溫時(shí)間，保溫時(shí)間一般不短于30分鐘，保溫結(jié)束后滲箱隨爐冷至室溫后開箱取出工件。本技術(shù)發(fā)明所述裝置，其特征在于由置于固體粉末滲硼劑中與滲箱側(cè)壁平行的柱狀電極、盛放粉末滲硼劑與電極及欲滲硼零件的由耐熱金屬材料制備的滲箱及箱蓋、電壓在O 250伏范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz工頻交流電源系統(tǒng)構(gòu)成，交流電源兩極分別由耐高溫導(dǎo)線連接柱狀電極及滲箱壁。
本發(fā)明中所述柱狀電極直徑范圍5 30mm，采用熔點(diǎn)在1200°C以上的金屬材料制作，可以是實(shí)心柱，也可為兩端封閉的空心柱。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于一方面利用交流電磁場的感應(yīng)作用及交流電的“集膚”效應(yīng)增加被滲零件表層供硼擴(kuò)散的通道，加快硼向被滲零件內(nèi)部的擴(kuò)散，避免硼在表層的富集，從而獲得單相Fe2B滲層，避免形成雙相滲層；同時(shí)還克服了常規(guī)粉末法滲硼滲劑單純依賴電爐加熱分解產(chǎn)生活性硼原子而造成的一系列不足，利用交流電場的物理作用促進(jìn)滲劑的分解與滲劑間的化學(xué)反應(yīng)，大幅度增加活性硼原子的濃度與活性，從而提高供硼劑的利用率，加快滲速，降低滲硼溫度；另外，采用滲箱壁作為交流電場的一極，這樣只需在滲箱中央設(shè)置另一個(gè)電極(即柱狀電極)，從而簡化裝置結(jié)構(gòu)；由于零件是置于柱狀電極與滲箱壁(為另一電極)之間，零件本身不連接電場電源，這樣一個(gè)滲箱內(nèi)可同時(shí)處理多個(gè)零件，對零件形狀、尺寸也沒有限制，零件表面單相Fe2B滲硼層均勻形成。所以具有如下有益效果I)采用與現(xiàn)行常規(guī)粉末法滲硼相同的滲劑、溫度和保溫時(shí)間時(shí)，運(yùn)用本技術(shù)能夠直接獲得均勻的單相Fe2B滲硼層，同時(shí)滲硼速度提高I 3倍不等，供硼劑的利用率提高；采用遠(yuǎn)低于現(xiàn)行常規(guī)粉末法滲硼所用的處理溫度，運(yùn)用本技術(shù)也能得到滿足使用要求厚度的單相Fe2B滲層。因此，本技術(shù)具有提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。2)本技術(shù)能在500 650°C低溫范圍對尺寸精度要求較高的模具、工具和其它一些耐磨件進(jìn)行有效的滲硼處理，提高它們的使用性能和壽命，不僅能耗少，且工件變形較小，性能更好；3)相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明裝置簡潔、工藝操作方便，一個(gè)滲箱內(nèi)可同時(shí)處理多個(gè)整體表面需要形成均勻單相Fe2B滲硼層的零件，生產(chǎn)效率高。


附圖I為本技術(shù)發(fā)明滲硼裝置示意圖。I.電壓連續(xù)可調(diào)交流電源系統(tǒng)，2.導(dǎo)電引線，3.滲箱蓋，4.耐火泥密封，5.欲滲硼零件，6.粉末滲硼劑，7.柱狀電極，8.欲滲硼零件，9.滲箱。附圖2為下面實(shí)施例I中所得滲硼層的金相照片。
I)節(jié)能高效技術(shù)制備，2)常規(guī)工藝制備。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明裝置的示意圖如附圖I所示。下面為本發(fā)明的具體實(shí)施例實(shí)施例I 被滲材料45鋼；滲硼劑構(gòu)成供硼劑(硼鐵，含量10% )、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5% )、疏松劑(木炭，I % )、填充劑和活化劑(碳化硅，余量)。在上述物質(zhì)組成的固體粉末滲硼劑(6)中放置一個(gè)與滲箱(9)四壁平行的柱狀電極(7)，被滲試樣(5)、⑶和電極(7)、滲箱(9)壁間距離15mm，電極(7)、滲箱(9)由耐熱導(dǎo)線(2)分別聯(lián)接在一個(gè)電壓在O 250伏范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源系統(tǒng)(I)上，柱狀電極(7)和被滲試樣(5)、(8)與粉末滲硼劑(6) —起由耐火泥密封料(4)密封在帶滲箱蓋(3)的滲箱(9)中，將滲箱(9)置于箱式爐中加熱，滲硼溫度800°C，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在電極(7)與滲箱(9)壁間加上4安培的交流電場，保溫時(shí)間4小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果節(jié)能高效技術(shù)使45鋼獲得 110 μ m厚的單一 Fe2B相滲硼層，其硬度在1200 1500HV& I范圍；而采用同樣配方滲劑，采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末法滲硼工藝，同樣經(jīng)8000C X4小時(shí)滲硼，得到的是滲層厚度只有 55μπι的FeB+Fe2B雙相滲硼層。兩種工藝滲硼層組織照片如附圖2所示實(shí)施例2被滲材料20鋼；滲硼劑構(gòu)成供硼劑(硼鐵，含量3% )、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5% ;)、疏松劑(木炭，2%)、填充劑和活化劑(碳化硅，余量)。節(jié)能高效制備單一 Fe2B滲層的方法及裝置同實(shí)施例1，滲硼溫度800°C，滲硼時(shí)間4小時(shí)，被滲試樣和滲箱壁及柱狀電極間距離10mm，在柱狀電極與滲箱壁間施加6安培的交流電場。試驗(yàn)結(jié)果20鋼獲得 90μπι厚的單相Fe2B滲硼層，其硬度在1200 1500HV。. i范圍；而采用同樣配方滲劑，采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末法滲硼工藝，同樣經(jīng)800°C X4小時(shí)滲硼，滲硼層厚度只有 30 μ m,且除Fe2B相外，還含有少量FeB相。實(shí)施例3被滲材料T12鋼；滲硼劑構(gòu)成供硼劑(硼鐵，含量10% )、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5% )、疏松劑(木炭，I % )、填充劑和活化劑(碳化硅，余量)。節(jié)能高效制備單一 Fe2B滲層的方法及裝置同實(shí)施例1，滲硼溫度750°C，滲硼時(shí)間4小時(shí)。被滲試樣和柱狀電極距離10mm，在柱狀電極和滲箱間施加4安培的的交流電場。試驗(yàn)結(jié)果T12鋼獲得 80 μ m厚的單相Fe2B滲硼層，其硬度 ISOOHVc^1 ;而采用同樣配方滲劑，采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末法滲硼工藝，同樣經(jīng)750°C X4小時(shí)滲硼，T12鋼上形成的為 28 μ m厚的FeB+Fe2B雙相滲硼層。實(shí)施例4被滲材料45鋼；滲硼劑構(gòu)成供硼劑(硼鐵，含量10% )、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5% )、疏松劑(木炭，I % )、填充劑和活化劑(碳化硅，余量)。節(jié)能高效制備單一 Fe2B滲層的方法及裝置同實(shí)施例1，滲硼溫度600°C，滲硼時(shí)間6小時(shí)。被滲試樣和柱狀電極距離10mm，在柱狀電極和滲箱間施加4安培的的交流電場。試驗(yàn)結(jié)果45鋼獲得 80 μ m厚的單相Fe2B滲硼層；而采用同樣配方滲劑，采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末法滲硼工藝，45鋼同樣經(jīng)600°C X6小時(shí)滲硼，僅形成不足5^厚的滲硼層。·
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能高效制備單一 Fe2B滲層的技術(shù)，其特征是在由供硼劑、活化劑、催滲劑、填充劑和疏松劑組成的固體粉末滲硼劑中放置一個(gè)平行于滲箱四壁的圓柱狀電極，圓柱狀電極和滲箱壁分別聯(lián)接在一個(gè)電壓在O 250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源上，待處理工件置于滲箱中，與圓柱狀電極及滲箱壁之間的距離不小于10mm，圓柱狀電極和零件與滲硼劑一起密封在滲箱中，將滲箱置于熱處理爐中加熱，溫度范圍為500 850°C，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在圓柱狀電極和滲箱間加上O 250伏之間的交流電壓，電流在I 20安培之間，保溫時(shí)間不短于30分鐘，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述的一種節(jié)能高效制備單一Fe2B滲層的裝置，其特征在于由盛放欲滲硼零件(5)和(8)、滲硼劑(6)的滲箱(9)及其箱蓋(3)與密封(4)、置于粉末滲硼劑(6)中的與滲箱(9)四壁平行的柱狀電極(7)、電壓在O 250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源系統(tǒng)(I)構(gòu)成，交流電源兩極分別由耐熱導(dǎo)線(2)連接柱狀電極(7)和滲箱(9)壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種節(jié)能高效制備單一Fe2B滲層的裝置，其特征在于所述柱狀電極材料直徑范圍為5 30mm，采用熔點(diǎn)在1200°C以上的金屬材料制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種節(jié)能高效制備單一Fe2B滲層的裝置，其特征在于柱狀電極與欲滲硼零件之間的距離不小于10mm。
全文摘要
本發(fā)明為一種節(jié)能高效制備單一Fe2B滲層的技術(shù)，其采取在粉末滲硼劑中放置一個(gè)平行于滲箱四壁的圓柱狀電極，圓柱狀電極和滲箱壁分別由耐熱導(dǎo)線聯(lián)接在一個(gè)電壓在0～250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源上，被處理零件位于圓柱狀電極和滲箱壁之間，電極、被處理零件與滲硼劑一起密封在滲箱中，置于熱處理爐中加熱，當(dāng)爐溫到500℃～850℃間某設(shè)定值后，在兩極間施加適當(dāng)交流電場，從而節(jié)能高效地獲得單一Fe2B滲層。該法與常規(guī)粉末法滲硼相比，采用與現(xiàn)行常規(guī)粉末法滲硼相同的滲劑、溫度和保溫時(shí)間時(shí)，運(yùn)用本技術(shù)即能夠直接獲得均勻的單相Fe2B滲硼層，同時(shí)滲硼速度可提高1～3倍不等，供硼劑的利用率提高。
文檔編號C23C8/70GK102943235SQ20121052410
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者謝飛, 朱麗曼, 孫力 申請人:常州大學(xué)