專利名稱：滴注式氣體滲硼的方法
技術領域：
本發明涉及金屬熱處理的方法，更具體地說涉及一種滴注式氣體滲硼的方法。
背景技術：
硼在元素周期表里位于第二周期的碳元素之前，比碳、氮的原子半徑大，與過渡族金屬原子半徑的比值都大于0.59，因此硼與過渡族金屬形成的化合物，具有遠比正常的間隙相要復雜得多的晶體結構。該金屬化合物如FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2、VB2、CrB2硬度高，熱穩定性好，比相應的碳化物、氮化物的硬度和熱穩定性都要高，但難以進行切削，也難以進行其它的變形加工。一般機械制造用鋼，在冶煉過程中不能加入大量的硼，只能加入微量的硼來改善鋼的某些性能。滲硼的作用，是使鋼鐵表面的硼含量增高，以至可以形成高硬度的硼化物層，這就使基體的強韌性與表面的高硬耐磨抗蝕相結合。鋼件滲硼后，表層獲得的硼化物一般由FeB+Fe2B雙相，或Fe2B單相組成。該層具有極高的硬度、耐磨性、耐蝕性、紅硬性及抗高溫氧化性。鋼鐵滲硼后硬度最高在1500-2200HV，滲硼層硬度高，因而使滲硼件具有極高的耐磨性，特別在磨料磨損、粘著磨損，以及摩擦磨損條件下工作的工模具，機械零部件，滲硼后的耐磨性遠高于常用的鋼的表面滲碳或氮化。
上世紀二十年代以來，滲硼技術(包括滲硼劑和滲硼工藝)有了較大進步，現有和常用的滲硼工藝有固體滲硼、液體滲硼(電解滲硼和鹽浴滲硼)、氣體滲硼(BCl3為富化氣，H2為載氣)，但它們都有缺點。
固體滲硼，是將粉末(粒狀)滲硼劑裝入耐熱鋼制的箱子中，并將鋼件埋入其中，而后在空氣、真空或保護氣氛(H2或Ar氣)爐中加熱，保溫滲硼。固體滲硼處理不需專門設備，操作方便，滲后容易清理，適用性強，便于推廣；但該法勞動強度大，工作條件差，滲劑成本也高，對工件處理時，滲劑必須填滿滲箱，滲劑浪費嚴重，另外粉末介質熱導性差，加熱時間長、耗能高，功效低，對大型件的處理頗感困難，滲后工件不易取出，難以進行滲后的直接淬火處理。膏劑法滲硼是固體粉末滲硼的發展，將粉末滲硼劑加上粘接劑制成膏劑，涂在需要滲硼的工件表面，然后加熱擴散。它盡管減少了滲劑的浪費，但其他缺點依然存在。
氣體滲硼，目前是將滲硼氣體BCl3和氫氣H2通入爐內(其中BCI3為供硼劑，H2為載氣)，同時將爐子加熱到滲硼溫度使爐氣在工件表面發生分解，進而通過物理化學的吸附，擴散而形成硼化物。氣體滲硼的滲層均勻、致密，表面質量好，工件滲后無需清理。另外氣體介質活潑，可以在較低溫度下實現滲硼，滲速也快。但所用氣體的制備、保存困難、價格昂貴，有劇毒、且有爆炸性，目前尚難以被工業生產所采用，基本上處于試驗階段。
液體滲硼，目前常用有電解滲硼和鹽浴滲硼兩種。
電解滲硼是將工件浸入到熔融狀態的硼砂浴中，并以工件為負極，通電進行滲硼。電解滲硼的效率高，可在較低溫度下滲硼，滲硼劑便宜，滲層深度易于控制。但電解滲硼只適用于形狀簡單的零件，對于形狀復雜的零件，因各部分電流密度不同，會使滲硼層厚度不均勻。另外熔融硼砂對增竭腐蝕嚴重，壽命較短。如果坩堝材料中的元素溶于鹽浴中，則會影響鹽浴滲硼劑的活性，使滲速下降。
鹽浴滲硼是國內應用較多的一種滲硼法，滲硼劑的主要組成是以硼砂或堿金屬的氯化物為基體加入碳化硅、硅鈣、鋁、硅鐵，錳鐵等還原劑。也有在上述成分中加入氟硼酸鈉的。在熔融硼砂中加入氯化鈉、氯化鋇或碳酸鹽等助熔鹽類，可使滲硼溫度降至700-800℃鹽浴滲硼設備簡單，操作方便，滲層組織容易控制，而且能處理形狀較復雜的零件。但鹽浴的活性差，工件清洗困難，坩堝壽命短，在大量生產中鹽浴溫度的均勻性，鹽浴成分的均勻性均難保證。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，設計一種滲層均勻、致密且勞動強度低、工作環境好且安全并不需專門設備的一種滴注式氣體滲硼方法，它由以下技術方案來實現包括下列步驟a)滲硼準備采用普通滴注式氣體滲碳爐，先制備滲硼劑，將制備好的滲硼劑和甲醇分別注入所述滲碳爐的兩盛放滴注液的容器內，對爐內加溫，當爐內溫度升至740～760℃時，開始向爐內滴注甲醇和滲硼劑并排氣，并繼續加熱爐內溫度；b)工件裝爐當爐內溫度升至滲硼溫度880～1000℃時，將待滲硼處理的工件裝入爐內，裝爐完畢繼續加熱爐內溫度，同時滴注甲醇和滲硼劑；c)表面滲硼當爐內溫度回升至所述滲硼溫度時，工件表面開始滲硼，根據工件表面所需滲層厚度不同，保持該滲硼溫度3～10小時，在此過程滴注滲硼劑，使所述工件表面最終形成硼固溶體和硼化物；d)淬火處理滲硼完畢后，將爐子降溫至860～880℃，并保溫，在此過程中繼續滴注甲醇和滲硼劑，然后取出所述工件立刻置于冷卻液中進行淬火，使工件表面形成馬氏體和硼化物；e)回火處理將滲硼并淬火后的工件立即放入回火爐中進行回火，回火溫度160～220℃，回火時間1.5～2.5小時。
所述滲硼劑由硼酸三甲脂、還原劑和稀釋劑混合制備而成。
所述還原劑是氯化稀土，在所述滲硼劑中氯化稀土與硼酸三甲脂的重量比為1∶25～1∶40。
所述稀釋劑是甲醇，在所述滲硼劑中甲醇與硼酸三甲脂的容積比1∶1～1∶1.5。
所述硼酸三甲脂可由硼酸和甲醇的脂化反應獲得。
本發明的有益效果是1)滲層均勻、致密，表面質量好，滲層深度和表面含硼量均可控制；2)工件滲后無需清理，并可滲后直接淬火，勞動強度低，生產效率高；3)無需氣體的制備設備，常用的滲碳爐即能滿足要求，可容易地實現自動控制，操作方便，可以處理各種形狀和尺寸的工件，適用性強生產成本低；4)滲劑無劇毒、無爆炸性，工作環境相對較好且安全可靠。
具體實施例方式
以下實施例中都以35kW普通滴注式氣體滲碳爐為例給出滲硼劑、甲醇的滴注量。其它類型的滴注式氣體滲碳爐可根據體積容量不同進行調整。
實施例1本實施例中試塊材料為45鋼；試塊尺寸30×20×10mm3；硼酸三甲脂通過硼酸和甲醇的脂化反應獲得。
a)滲硼準備按1∶1的容積比分別用量杯量取硼酸三甲酯和甲醇，將通過量杯量取的硼酸三甲酯稱重，再按氯化稀土與硼酸三甲酯1∶25的重量比稱量氯化稀土，將上述經稱量的硼酸三甲酯、甲醇和氯化稀土混和，制得滲硼劑。
將上述制得的滲硼劑和甲醇分別倒入滲碳爐的兩盛放滴注液的容器內。將滲碳爐加溫，當爐內溫度升至740℃時，開始向爐內滴注甲醇和滲硼劑排氣，甲醇滴注量為70滴/min，約為1.4ml/min的流量，滲硼劑的滴注量為40滴/min，約為0.8ml/min的流量，同時繼續加熱爐內溫度。
b)工件裝爐當爐內溫度升至滲硼溫度880℃時，將待滲硼處理的工件裝入爐內，裝爐完畢繼續加熱爐內溫度，同時滴注甲醇和滲硼劑，甲醇滴注量為50滴/min，約為1.0ml/min的流量，滲硼劑的滴注量為150滴/min，約為3.0ml/min的流量。
c)表面滲硼當爐內溫度回升至880°時，工件表面開始滲硼，工件表面滲層厚度δ要求為0.1≤δ≤0.2mm，保持該滲硼溫度3小時，在此過程滴注滲硼劑，滴量為120滴/min，約為2.0ml/min的流量，同時滴注甲醇，滴量為30滴/min，約為0.6ml/min的流量，以保持爐壓在10～12Pa范圍內，滲硼后工件表面形成硼固溶體和硼化物，其滲硼厚度δ＝0.14mm；d)淬火處理滲硼完畢后，將爐子降溫至860℃，并保溫15min，在此過程中繼續滴注甲醇和滲硼劑，滴量分別為30、50滴/min，流量分別為0.6、1.0ml/min。然后取出所述工件立刻置于油冷卻液中進行淬火，使工件表面形成馬氏體和硼化物，其硬度為1640HV；e)回火處理將滲硼并淬火后的工件立即放入回火爐中進行回火，回火溫度為160℃，回火時間為1.5小時。
實施例2本實施例中試塊材料為40Cr，試塊尺寸30×20×10mm3a)滲硼準備首先配制滲硼劑，按1∶1.2的容積比分別量取甲醇和硼酸三甲酯，將通過量杯量取的硼酸三甲酯稱重，再按氯化稀土與硼酸三甲酯1∶32的重量比稱量氯化稀土，將上述經稱量的硼酸三甲酯、甲醇和氯化稀土混和，制得滲硼劑。
將上述制得的滲硼劑和甲醇分別倒入滲碳爐的兩盛放滴注液的容器內。將滲碳爐加溫，當爐內溫度升至750℃時，開始向爐內滴注甲醇和滲硼劑排氣，甲醇滴注量為75滴/min，約為1.5ml/min的流量，滲硼劑的滴注量為35滴/min，約為0.7ml/min的流量，同時繼續加熱爐內溫度。
b)工件裝爐當爐內溫度升至滲硼溫度940℃時，將待滲硼處理的工件裝入爐內，裝爐完畢繼續加熱爐內溫度，同時滴注甲醇和滲硼劑，甲醇滴注量為60滴/min，約為1.2ml/min的流量，滲硼劑的滴注量為140滴/min，約為2.8ml/min的流量。
c)表面滲硼當爐內溫度回升至940°時，工件表面開始滲硼，工件表面滲層厚度δ要求為0.35≤δ≤0.5μm，保持該滲硼溫度6小時，在此過程滴注滲硼劑，滴量為110滴/min，約為2.2ml/min的流量，同時滴注甲醇，滴量為45滴/min，約為0.9ml/min的流量，以保持爐壓在14～16Pa范圍內，滲硼后工件表面形成硼固溶體和硼化物，其滲硼厚度δ＝0.43mm；d)淬火處理滲硼完畢后，將爐子降溫至870℃，并保溫15min，在此過程中繼續滴注甲醇和滲硼劑，滴量分別為35、45滴/min，流量分別為0.7ml/min、0.9ml/min。然后取出所述工件立刻置于油冷卻液中進行淬火，使工件表面形成馬氏體和硼化物，其硬度為1640HV；e)回火處理將滲硼并淬火后的工件立即放入回火爐中進行回火，回火溫度190℃，回火時間為1.5小時。
實施例3本實施例中試塊材料為20鋼，試塊尺寸30×20×10mm3。
a)滲硼準備首先配制滲硼劑，按1∶1.5的容積比分別量取甲醇和硼酸三甲酯，將通過量杯量取的硼酸三甲酯稱重，再按氯化稀土與硼酸三甲酯1∶40的重量比稱量氯化稀土，將上述經稱量的硼酸三甲酯、甲醇和氯化稀土混和，制得滲硼劑。
將上述制得的滲硼劑和甲醇分別倒入滲碳爐的兩盛放滴注液的容器內。將滲碳爐加溫，當爐內溫度升至760℃時，開始向爐內滴注甲醇和滲硼劑排氣，甲醇滴注量為80滴/min，約為1.6ml/min的流量，滲硼劑的滴注量為30滴/min，約為0.6ml/min的流量，同時繼續加熱爐內溫度。
b)工件裝爐當爐內溫度升至滲硼溫度1000℃時，將待滲硼處理的工件裝入爐內，裝爐完畢繼續加熱爐內溫度，同時滴注甲醇和滲硼劑，甲醇滴注量為70滴/min，約為1.4ml/min的流量，滲硼劑的滴注量為130滴/min，約為2.6ml/min的流量。
c)表面滲硼當爐內溫度回升至1000°時，工件表面開始滲硼，工件表面滲層厚度δ要求為0.7≤δ≤0.85mm，保持該滲硼溫度10小時，在此過程滴注滲硼劑，滴量為100滴/min，約為2.0ml/min的流量，同時滴注甲醇，滴量為65滴/min，約為1.3ml/min的流量，以保持爐壓在18～20Pa范圍內，滲硼后工件表面形成硼固溶體和硼化物，其滲硼厚度＝0.82mm；d)淬火處理滲硼完畢后，將爐子降溫至880℃，并保溫15min，在此過程中繼續滴注甲醇和滲硼劑，滴量分別為40、40滴/min，流量分別為0.8、0.8ml/min。然后取出所述工件立刻置于油冷卻液中進行淬火，使工件表面形成馬氏體和硼化物，其硬度為2110HV；e)回火處理將滲硼并淬火后的工件立即放入回火爐中進行回火，回火溫度為220)℃，回火時間為2小時。
本發明方法中，甲醇用量比較靈活，當配制滲硼劑時作為稀釋劑的甲醇的比例增加時，滲硼過程中作為載氣的甲醇的滴量可以相應減少，以保證爐內有足量的活性硼原子為準。
本發明方法，是通過滴注方式產生氣體滲硼效果，將硼酸三甲酯分解出的硼原子吸附、擴散在工件表面形成硼化物從而得到均勻、致密，表面質量好的滲硼層。滲層的含硼量可通過滲硼劑的滴注量進行控制，滲層的深度可通過爐內溫度和保溫時間來控制，整個氣體滲硼過程是在現有普通滴注式氣體滲碳爐內進行，無需專用氣體制備設備，可容易的實現自動控制。同時，滲硼后的工件無需清理，滲后直接淬火，大大降低勞動強度，改善了工作條件，生產效率高。此外，滲劑無劇毒，更無現有氣體滲硼技術中的爆炸性之憂，安全且生產成本低。
權利要求
1.滴注式氣體滲硼的方法，其特征在于包括下列步驟a)滲硼準備采用普通滴注式氣體滲碳爐，先制備滲硼劑，將制備好的滲硼劑和甲醇分別注入所述滲碳爐的兩盛放滴注液的容器內，對爐內加溫，當爐內溫度升至740～760℃時，開始向爐內滴注甲醇和滲硼劑并排氣，繼續加熱爐內溫度；b)工件裝爐當爐內溫度升至滲硼溫度880～1000℃時，將待滲硼處理的工件裝入爐內，裝爐完畢繼續加熱爐內溫度，同時滴注甲醇和滲硼劑；c)表面滲硼當爐內溫度回升至所述滲硼溫度時，工件表面開始滲硼，根據工件表面所需滲層厚度不同，保持該滲硼溫度3～10小時，在此過程滴注滲硼劑，使所述工件表面最終形成硼固溶體和硼化物；d)淬火處理滲硼完畢后，將爐子降溫至860～880℃，并保溫，在此過程中繼續滴注甲醇和滲硼劑，然后取出所述工件立刻置于冷卻液中進行淬火，使工件表面形成馬氏體和硼化物；e)回火處理將滲硼并淬火后的工件立即放入回火爐中進行回火，回火溫度160～220℃，回火時間1.5～2.5小時。
2.根據權利要求1所述的滴注式氣體滲硼的方法，其特征在于所述滲硼劑由硼酸三甲脂、還原劑和稀釋劑混合制備而成。
3.根據權利要求2所述的滴注式氣體滲硼的方法，其特征在于所述還原劑是氯化稀土，在所述滲硼劑中氯化稀土與硼酸三甲脂的重量比為1∶25～1∶40。
4.根據權利要求2所述的滴注式氣體滲硼的方法，其特征在于所述稀釋劑是甲醇，在所述滲硼劑中甲醇與硼酸三甲脂的容積比1∶1～1∶1.5。
5.根據權利要求2所述的滴注式氣體滲硼的方法，其特征在于所述硼酸三甲脂可由硼酸和甲醇的脂化反應獲得。
全文摘要
本發明涉及一種滴注式氣體滲硼的方法。采用普通滴注式氣體滲碳爐，將爐子加熱到滲硼溫度，同時向爐內滴入由硼酸三甲酯、甲醇和氯化稀土配制的滲硼劑和甲醇，并使其分解。由硼酸三甲酯分解出的硼原子通過吸附、擴散在鋼件表面形成硼化物。本發明方法的優點是滲層均勻、致密，表面質量好；滲層深度和表面含硼量均可控制；工件滲后無需清理，并可滲后直接淬火、勞動強度低；滲劑無劇毒、無爆炸性，工作環境相對較好且安全可靠；不需專門設備，常用的滲碳爐即能滿足要求，可以處理各種形狀和尺寸的工件，可容易的實現自動控制，生產效率高，操作方便；適用性強。
文檔編號C21D11/00GK1952216SQ20061009638
公開日2007年4月25日 申請日期2006年9月22日 優先權日2006年9月22日
發明者紀嘉明, 吳晶 申請人:紀嘉明