專利名稱：一種q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法
技術領域：
本發明涉及一種Q345鋼的強化加工方法，特別是涉及采用鎳包鋁粉末為催化劑，獲得Q345強化層的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法。
背景技術：
Q345鋼廣泛地應用于工程機械的挖掘頭、鏟斗和履帶等部位，在使用過程中，零部件承受反復的沖擊載荷，磨料磨損是其主要的失效形式之一。因此，提高Q345鋼材的耐磨性是延長零部件使用壽命的關鍵。改善Q345鋼的摩擦磨損性能主要有兩種方式，一是在合金鋼中加入適量的微量元素，另一種方式是通過表面滲金屬強化或者表面熱處理和表面涂層強化。前種方式可以從材料的本質上改善其機械強度和摩擦磨損性能，但是需要外委生產，成本較高。后種方式對材料表層硬度和耐磨性改善較大，經濟有效，但同時存在內應力 高、表層裂紋多、易剝落等缺陷。中國專利CN1065689公開一種鋼鐵表面滲硼工藝，以碳氮共滲液為基鹽，是一種以滲硼為主的硼-碳-氮三元共滲新工藝。中國專利CN102051572A公開一種鋼件的表面滲硼處理方法，該方法依次包括下列步驟1.物料配比無水硼砂為88%, Na2CO3為10%,碳化娃為12%,以上配比為質量百分t匕，總量根據鋼件的大小及形狀，以熔化后形成的熔池能淹沒鋼件為宜；2.物料熔化及溶池形成首先將無水硼砂放入一不銹鋼容器內，加熱到650°C，然后加入SiC粉進行攪拌，待硼砂完全熔化，溶池溫度達到800°C時，再加入Na2CO3，加強攪拌到溶池溫度達到930°C，將需要滲硼的鋼件放置入硼砂浴中滲硼，溶池溫度保持930°C恒溫，時間大于3h ；3.取出鋼件，自然冷卻到常溫，然后對鋼件進行淬火-回火-修磨處理，方可使用。中國專利CN1699617公開一種低碳鋼表面低溫滲硼工藝方法，先對鋼表面進行納米化，隨后進行等離子低溫滲硼。工藝步驟(I)首先在滲硼之前采用表面機械研磨法對低碳鋼表面進行納米化處理；(2)將納米化后的低碳鋼試樣放于等離子熱處理爐內，抽真空，使爐內真空度達40Pa;然后打開電源輸入電壓電流以產生電極間離子輝光進行加熱；與此同時通入B(OCH3)3滲硼劑，并且通入Ar與H2的混合氣體；工作電壓為800 1200V ;送入混合氣體的氣壓為400 IOOOPa ;等離子滲硼熱處理溫度為500 650°C，在此溫度下保溫4 8h，隨爐冷卻至室溫，最后可得表面滲硼的低碳鋼，其滲層主要為Fe2B晶相，硬度為HV1700 2100。劉建建等(劉建建，陳祝平，楊光，許躍東.Q345B鋼膏劑滲硼工藝的試驗研究[J].熱加工工藝，2011，40(24) :209-211)闡述了利用爐中加熱方式對Q345B鋼進行滲硼。實驗所用基體材料為Q345B鋼，試件尺寸為20mmX20mmX IOmm塊體，膏劑滲硼劑碳化硼，氧化硼，氟硼酸鉀，無水碳酸鈉，碳化硅，糊精粉。保護層水玻璃和耐火土。其工藝為將滲硼劑劑按照要求的厚度均勻地涂抹在試件表面，在100 150°C爐中烘干Ih后涂上保護層，之后入爐按照要求的溫度和時間進行滲硼。膏劑厚度6_，滲硼溫度900°C，滲硼時間7h。出爐后空冷至室溫。硼化物呈連續針齒狀(或指狀)，以長短不齊的方式楔入基體，與基體結合牢固，但表層存在疏松、孔洞等缺陷。滲層厚度達88 μ m，硬度為HV1700。劉建建等(劉建建，陳祝平，楊光，許躍東，譚海波，池闊.稀土對Q345鋼滲硼層的影響及其催滲工藝研究[J].表面技術，2012，41 (I) 86-88)闡述了利用爐中加熱方式對Q345鋼進行滲硼過程中添加氧化鈰稀土。所用試件為Q345鋼，試件尺寸為20mmX20mmX10mm塊體，滲硼所用設備為S2-4-10箱式電阻爐。滲硼劑中氧化鈰稀土的添加量分別為2%，5%和8% (質量分數)，試驗采用單一因素變量，工藝條件為滲硼溫度900°C，滲硼時間5h，膏劑涂層厚度6mm。硼化物呈連續針齒狀，以長短不齊的方式楔入基體，與基體結合牢固。結果顯示，加入2%稀土的滲硼層表層組織更加致密，孔洞少，針齒狀明顯，滲層厚度可達107 μ m,硬度最高為HV1800。
發明內容
本發明的目的是提供以鎳包鋁粉末為催化劑，經感應滲硼加熱工藝，生產表層硬 度高，表層與基體結合力強，基體組織性能獲得改善的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法。本發明包括以下步驟I)在Q345鋼表面涂抹硼膏劑層，在硼膏劑層外面涂抹保護劑層，風干后再烘干；所述硼膏劑的原料組成為滲硼劑、鎳包鋁粉末和水；2)將烘干后的樣品放在超音頻感應設備中進行感應加熱處理；3)在感應加熱處理滲硼后，將樣品冷卻后清理表面，并將樣品表面粗磨，即完成對Q345鋼的鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化。在步驟I)中，所述Q345鋼表面可先預處理，所述預處理的方法是將Q345鋼試樣精車之后進行清洗，去除表面的油潰和銹跡，再用W40號金相砂紙將試樣表面磨光；所述滲硼劑的原料組成包括碳化硼、氧化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和糊精粉；按質量比所述碳化硼、氧化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和糊精粉的配比可為(10 15) : (15 20) : (I 5) : (10 15) (55 60) (5 10);所述滲硼劑、鎳包鋁粉末和水的質量比可為(69 94) (5 30) : I ;所述保護劑的原料組成包括水玻璃和耐火土，按質量百分比所述水玻璃為50% 70%，余量為耐火土 ；所述鎳包鋁粉末中，按質量百分比鎳含量^ 80%，余量為水，鋁不為O ;所述硼膏劑層的厚度可為3 5mm ;所述保護劑層的厚度可為
O.I O. 2mm ;所述烘干的溫度可為100 120°C，所述烘干的時間可為2h。在步驟2)中，所述感應加熱處理的條件可為感應加熱功率1500 4000W，有效感應加熱時間2 8min,感應圈和試樣之間的間隙10 25mm。在步驟3)中，所述冷卻可放在空氣中冷卻；所述粗磨可將樣品表面用金相粗砂紙進行粗磨。如果需觀察滲層情況，可經過切割，鑲嵌，再粗磨到表面平整后放在拋磨機上進行拋磨，然后對試樣進行腐蝕。腐蝕劑可米用苦味酸鈉，成分為苦味酸、NaOH和H2O,苦味酸、似0!1和!120按質量比I : 5 20的比例，保持在不透明的封閉容器內，浸蝕溫度為35 40°C，時間為30s左右。本發明采用鎳包鋁粉末作為催化劑，含量>5%，與成分為碳化硼、氧化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅、糊精粉的滲硼劑和水混合，保護劑層采用水玻璃和耐火土，通過感應加熱，獲得30 μ m左右的滲硼層厚度，滲硼層顯微硬度在850 1400HV。本發明顯示鎳包鋁粉末使滲硼層組織更加致密，牙齒狀結構與機體結合更好。本發明對比常見以稀土為催化劑的滲硼工藝，可以更為有效地強化Q345鋼基體。本發明工藝原理是用精車打磨后的Q345鋼材樣品，經涂覆、風干、烘干、加熱滲硼、清理表面、打磨等工藝，使表層和基體硬度均獲得大的提高，最終獲得表層和基體硬度均提高，適用于磨損嚴重工況的Q345鋼材。
圖I為硼膏劑中鎳包鋁粉末添加量為5% (質量分數)滲硼后的顯微組織圖。圖2為硼膏劑中鎳包鋁粉末添加量為18% (質量分數)滲硼后的顯微組織圖。
圖3為硼膏劑中鎳包鋁粉末添加量為30% (質量分數)滲硼后的顯微組織圖。
具體實施例方式實施例I :按如下步驟實施。I、備料工藝(I)采用014mmX30mm圓棒料，精車之后對試樣進行清洗，再用W40號金相砂紙金相將試件表面磨光，Q345鋼化學成分如表I。表1Q345鋼的化學成分表(質量分數，%)
兒尜C Mn Si PS- ；V!,i;0.18 1.15 0.41 0.016 0.0096(2)準備滲硼劑，其組分包括碳化硼，氧化硼，氟硼酸鉀，無水碳酸鈉，碳化硅，糊精粉；按質量比所述碳化硼、氧化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和糊精粉的配比為10 15 I 10 54 10。(3)鎳包鋁粉末，含鎳80%，鋁20%。(4)準備保護劑層成分為水玻璃和耐火土按照質量比5 5配比。硼膏劑制備用滲硼劑94g、鎳包鋁粉末5g，水Ig混兌均勻成為硼膏劑，將硼膏劑按照要求的厚度均勻地涂抹到試樣表面上，膏劑厚度5mm，涂敷硼膏劑后，在陰涼處風干5h左右，之后在100°C爐中烘干2h，再涂覆保護劑層O. 1_。2、感應滲硼將烘干滲硼層后的樣品放在感應器進行感應加入處理，感應加熱功率4000W，有效感應加熱時間2min,感應圈和試樣之間的間隙10_。3、清理表面在感應加熱滲硼后，將試樣放在空氣中冷卻后清理表面，再用金相粗砂紙對試樣表面進行粗磨即可。如果想觀察滲層情況，可經過切割，鑲嵌，再粗磨到表面平整后放在拋磨機上進行拋磨，然后對試樣進行腐蝕。腐蝕劑為苦味酸鈉，成分為苦味酸，NaOH, H2O按照1:5: 20的比例，保持在不透明的封閉容器內，浸蝕溫度為35 40°C，時間為30s左右。按上述工藝及控制參數實驗結果，經檢測含有如表2硬度測試報告和圖I所示的顯微組織圖。
表2不同鎳包鋁含量，樣品沿表層向里硬度值/HV
權利要求
1.一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于包括以下步驟 1)在Q345鋼表面涂抹硼膏劑層，在硼膏劑層外面涂抹保護劑層，風干后再烘干；所述硼膏劑的原料組成為滲硼劑、鎳包鋁粉末和水； 2)將烘干后的樣品放在超音頻感應設備中進行感應加熱處理； 3 )在感應加熱處理滲硼后，將樣品冷卻后清理表面，并將樣品表面粗磨，即完成對Q345鋼的鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化。
2.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述Q345鋼表面先預處理，所述預處理的方法是將Q345鋼試樣精車之后進行清洗，去除表面的油潰和銹跡，再用金相砂紙將試樣表面磨光。
3.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述滲硼劑的原料組成包括碳化硼、氧化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和糊精粉；按質量比所述碳化硼、氧化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和糊精粉的配比為(10 15) (15 20) (I 5) (10 15) (55 60) (5 10)。
4.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述滲硼劑、鎳包鋁粉末和水的質量比為(69 94) (5 30) I。
5.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述保護劑的原料組成包括水玻璃和耐火土，按質量百分比所述水玻璃為50% 70%，余量為耐火土。
6.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述鎳包鋁粉末中，按質量百分比鎳含量> 80%，余量為水，鋁不為O。
7.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述硼膏劑層的厚度為3 5mm ;所述保護劑層的厚度為O. I O. 2mm。
8.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟I)中，所述烘干的溫度為100 120°C，所述烘干的時間為2h。
9.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟2)中，所述感應加熱處理的條件為感應加熱功率1500 4000W，有效感應加熱時間2 8min,感應圈和試樣之間的間隙10 25mm。
10.如權利要求I所述的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，其特征在于在步驟3)中，所述冷卻是放在空氣中冷卻；所述粗磨可將樣品表面用金相粗砂紙進行粗磨。
全文摘要
一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法，涉及一種Q345鋼的強化加工方法。提供以鎳包鋁粉末為催化劑，經感應滲硼加熱工藝，生產表層硬度高，表層與基體結合力強，基體組織性能獲得改善的一種Q345鋼鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化方法。在Q345鋼表面涂抹硼膏劑層，在硼膏劑層外面涂抹保護劑層，風干后再烘干；所述硼膏劑的原料組成為滲硼劑、鎳包鋁粉末和水；將烘干后的樣品放在超音頻感應設備中進行感應加熱處理；在感應加熱處理滲硼后，將樣品冷卻后清理表面，并將樣品表面粗磨，即完成對Q345鋼的鎳包鋁粉末催化感應加熱滲硼強化。可以更為有效地強化Q345鋼基體，適用于磨損嚴重工況的Q345鋼材。
文檔編號C23C8/70GK102899605SQ20121041814
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者楊光, 皮鈞, 陳祝平, 朱飛勇 申請人:集美大學