一種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑及其應用方法
【專利摘要】本發明提供一種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑，屬于模具等零件表面強化技術，適合于用表面易磨損、易拉傷的金屬模具等零件。其基鹽為硼砂，供釩劑為V2O5或V-Fe合金，供鉻劑為Cr2O3或Cr粉，還原劑為Al粉或Si-Ca粉，活化劑為NaF或CaF，稀土為Ce或Ce合金；它們的質量百分比分別為基鹽65～80％、供鉻劑5～10％、供釩劑5～10％、還原劑3～9％、活化劑3～9％，稀土含量為0.5～8％。與傳統的滲釩工藝相比，在獲得相同覆層厚度，覆層硬度接近的情況下，本發明的制備方法可以在較低的溫度下以及較短時間內制得覆層，具有覆層質量高、使用壽命長、環保節能、生產周期短等顯著特點。
【專利說明】—種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑及其應用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及模具表面處理技術，具體涉及一種共滲金屬表面強化技術。
【背景技術】
[0002]模具表面處理技術是模具制造中的關鍵工藝之一，直接涉及到模具制造精度、機械性能(如強度等)、使用壽命及制造成本，是保證模具質量和使用壽命的重要環節。其中，TD (Toyota Diffusion Coating Process or Thermal Diffusion)處理技術由于具有設備結構簡單，操作方便，生產成本低，形成的碳化物具有優異性能而備受世界各國的重視。
[0003]目前的TD法碳化物覆層技術多數僅限于單一元素覆層，在實際應用總存在一些問題，例如應用最廣泛的碳化釩覆層就存在以下問題:熱處理溫度較高，通常在900~10500C ;熱處理時間長，獲得6-15 μ m的覆層通常需要8~16小時；覆層有較大的脆性，在使用中容易產生剝落；在5001:以上的高溫下會產生氧化或分解。另外一種是滲鉻層，其抗高溫氧化性能雖好，但硬度較低，耐磨性較差，在低、中碳鋼的滲鉻或滲釩層下均易形成貧碳區，故只適用于輕載下工作的工件。
[0004]因此采用TD法鉻釩共滲工藝得到研究者的青睞，該工藝能在模具等表面形成高硬度、抗氧化的鉻釩稀土多元共滲覆層，克服單一覆層的缺點。其獲得的覆層既具有VC、鉻的碳化物兩者優異性能，又能顯著改變鋼件表面層特性，改變滲層鉻釩成分分布及硬度梯度，降低滲層脆性。
[0005]但是，目前的TD法鉻釩共滲工藝采用的共滲劑是硼砂基鹽、Cr2O3或Cr粉供鉻劑、V2O5或V-Fe合金供釩劑、Al粉或S1-Ca粉、NaF或CaF等組成，其覆層的耐腐蝕性與單滲釩層相比有所提高，但其硬度等仍然較低，耐磨性較差，所需相同厚度覆層的溫度較高或時間較長。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術存在的不足，提供一種涉及鉻釩稀土多元共滲工藝的硼砂鹽浴滲金屬滲劑，在傳統TD鉻釩共滲鹽浴滲劑基礎上，創新性地加入稀土 Ce，并且通過研究獲得了最佳的Ce添加量和其它鹽浴組分的優化配方，得到一種新型的TD法鹽浴滲金屬滲劑。
[0007]本發明的技術方案如下:
[0008]本發明滲劑主要由基鹽、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑以及稀土等組成，滲劑中的基鹽、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑和稀土的質量比分別為基鹽65~80%、供鉻劑5~10%、供釩劑5~10%、還原劑3~9%、活化劑3~9%，稀土含量為0.5~8%。其中基鹽為硼砂、氯化鈉等混合物，供釩劑為V2O5或V-Fe合金，供鉻劑為Cr2O3或Cr粉，還原劑為Al粉或S1-Ca粉，活化劑為NaF或CaF，稀土為Ce或其合金。
[0009]共滲工藝為:首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應熔化均勻。同時將工件進行預熱處理，然后在900-980°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理2-8小時，獲得共滲覆層，然后取出回火。
[0010]本發明通過創新性地在滲劑中加入稀土 Ce，具有特殊電子結構與化學活性的稀土元素能滲入到鋼的表面，在表面層中形成了一定濃度梯度，在相同的化學熱處理條件下，稀土元素的添加可使化學熱處理過程明顯加快，起到催慘作用。
[0011]但稀土的催滲效果不但與工藝溫度、工藝過程有關，而且與稀土摻入量有關。當滲劑中稀土濃度低時，稀土元素對滲劑分解的促進作用較小，稀土原子活性中心在工件表面的覆蓋率也較小，欲滲原子濃度梯度增加得也不多，故而催滲作用不明顯；當滲劑中稀土濃度過高時，會引起大量稀土原子堆積在鋼表面，使其原子活性中心作用下降。因此，只有當滲劑中稀土濃度適宜時，其活性中心作用才能充分發揮，催慘效果最佳。
[0012]本發明通過研究獲得了最佳的Ce添加量和其它鹽浴組分的優化配方，在硼砂鹽浴中進行鉻釩稀土多元共滲，通過稀土催化作用，在模具等工件表面制備幾微米至二十余微米厚的多元復合碳化物覆層，其微觀組織特點在于覆層中以稀土、釩為主的高硬度碳化物規則分布于硬度相對較低的鉻碳化物基體中，靠近表層，而鉻碳化物主要分布于靠近基體的覆層中。覆層硬度可達2700HV以上，具有比滲釩覆層更高的使用溫度以及與基體更強的結合力。
[0013]與傳統的滲釩工藝相比，在獲得相同覆層厚度，覆層硬度接近的情況下，本發明的制備方法可以在較低的溫度下以及較短時間內制得覆層，具有覆層質量高、使用壽命長、環保節能、生產周期短等顯著特點。
[0014]本發明適合于用含碳量≥0.3%wt的表面易磨損、易拉傷的金屬模具等零件，廣泛應用于汽車零部件、機械、國防工業、冶金、航空航天等行業。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1.Crl2鋼經940°C，TD處理4小時后覆層截面微觀組織掃描電鏡二次電子形貌。
【具體實施方式】
[0016]實施例1
[0017]配制滲劑(質量百分比):硼砂(70%)，V2O5(6%), Cr2O3 (8%)，Al 粉(6%)，NaF (6%)，Ce (4%)。
[0018]首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應熔化均勻，同時將Crl2鋼模具進行預熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理4小時；取出后直接油淬，在180°C，回火2小時。經測量，模具表面平均硬度為Hva‘2950，滲層厚度為13.2μπι。獲得的覆層的截面微觀組織掃描電鏡二次電子形貌參見圖1。
[0019]實施例2
[0020]配制滲劑(質量百分比):硼砂(70%)，V205(6%), Cr2O3 (7%), S1-Ca (6%),NaF (6%)，Ce-Fe (5%)。
[0021]首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應熔化均勻，同時將Crl2MoV鋼模具進行預熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理4小時；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時。經測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=2850，滲層厚度為 12.6ym0
[0022]實施例3
[0023]配制滲劑(質量百分比):硼砂(72%)，V205(6%), Cr2O3 (9%), S1-Ca (5%),NaF (5%)，Ce-Fe (3%)。
[0024]將Crl2MoV鋼模具進行預熱處理，溫度為400~450°C。在920°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理6小時；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時。經測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=2750，滲層厚度為10.6μπι。
[0025]實施例4
[0026]配制滲劑(質量百分比):硼砂(76%)，V2O5 (9%)，0粉(6%)，八1粉(5%)，〇&卩(5%)，Ce (1%)。
[0027]將Crl2MoV鋼模具進行預熱處理，溫度為400~450°C。在980°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理6小時；取出后直接油淬，于在200°C，回火2小時。經測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=2970，滲層厚度為15.7μπι。
[0028]對比例I
[0029]配制滲劑(質量百分比):硼砂(74%)，V205(7%), Cr2O3 (7%), S1-Ca (6%),NaF (6%)。
[0030]將Crl2鋼模具進行預熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理4小時；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時。經測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=1722，滲層厚度為3.75 μ m。
[0031]對比例2
[0032]配制滲劑(質量百分比):硼砂(74%)，V2O5(6%), Cr2O3 (8%)，Al 粉(6%)，NaF (6%)。
[0033]將Crl2MoV鋼模具進行預熱處理，溫度為400~450°C。在940°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理4小時；取出后直接油淬，于在180°C，回火2小時。經測量，模具表面平均硬度為Ηνα(ι5=1507，滲層厚度為3.93 μ m。
【權利要求】
1.一種鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑，其包括基鹽、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑以及稀土 ；其特征在于:所述基鹽為硼砂，供釩劑為V2O5或V-Fe合金，供鉻劑為Cr2O3或Cr粉,還原劑為Al粉或S1-Ca粉,活化劑為NaF或CaF,稀土為Ce或Ce合金；它們的質量百分比分別為基鹽65~80 %、供鉻劑5~10 %、供釩劑5~10 %、還原劑3~9 %、活化劑 3~9%，稀土含量為0.5~8%。
2.權利要求1所述的鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑的應用方法，其特征在于首先在坩堝中熔化硼砂，再把其它滲劑組分放入充分反應熔化均勻，同時將工件進行預熱處理，然后在900-980°C的溫度下在上述滲劑中進行TD處理2-8小時，獲得共滲覆層，然后取出回火。
3.根據權利要求2所述的鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑的應用方法，其特征在于:所述覆層平均硬度為Hv0.05>2700，滲層厚度>10 μ m。
4.根據權利要求2所述的鉻釩稀土多元共滲硼砂鹽浴滲金屬滲劑的應用方法，其特征在于:所述回火溫度在 150~300°C。
【文檔編號】C23C10/26GK103526154SQ201310526320
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】黃福祥, 蘇謀, 曹登駒 申請人:重慶理工大學, 重慶萊斯硬化技術研究所