CN104451810B - 一种低温电解渗硼用渗硼剂及渗硼工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面低温电解渗硼用渗硼剂及渗硼工艺,渗硼剂由65~98.9wt.%NaBF4、1~20wt.%B2O3、0.1~15wt.%添加剂组成。渗硼处理时,先将配制好的渗硼剂装入坩埚并置于电阻炉或电频炉中,金属工件作为阴极,石墨材料作为阳极,升温至450~850℃,保温,待渗硼剂熔化完全后,通以直流电,电流密度控制在50~800mA·cm‑2,电解0.5~12h后,断电,将金属工件从渗硼剂熔体中取出,以适当方式冷却,清理附着的电解质。本发明所述的渗硼剂具有熔融状态流动性好、导电性好、可重复使用且易与金属工件分离的特点;所述渗硼工艺能耗较低、操作温度低、可实现一些低熔点金属及其合金的渗硼处理。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域,具体涉及一种金属表面熔盐电解渗硼用渗硼剂及渗硼工艺。
背景技术
金属材料在人类的生产、生活中发挥着至关重要的作用,金属材料在使用过程中由于磨损、腐蚀以及氧化损耗等原因,每年金属的损耗和浪费数量巨大,为了改善金属工件的抗磨损和耐腐蚀性能,人们采用了各种表面改性技术。许多金属的硼化物都是熔点高、硬度高、耐腐蚀性强的化合物,渗硼得到的渗硼层不但硬度高、耐磨性好,而且有良好的耐腐蚀性和耐高温性能,所以人们常用渗硼来改善金属材料的表面性能。
目前,常见渗硼方法有固体渗硼、盐浴渗硼、气体渗硼、等离子渗硼等,工业上应用较多的还仅限于固体渗硼,以上工艺都存在处理温度高(高于850℃),渗层不均匀,渗硼剂不能循环使用,渗硼后工件表面附着物难清理,渗硼气氛环境(如:低氧分压)要求高,无法大规模生产,能量消耗大等缺点。另外,传统的金属电解渗硼的渗硼温度偏高,一般在850~1300℃,工件在此高温条件下,工件变形大,组织易粗化,难以满足精密零件的性能要求,另外,高温下得到的渗层较脆且与基体结合力不强。
本发明为解决上述问题,提出了一种低温电解渗硼用渗硼剂及渗硼工艺,渗硼剂的初晶温度较低,渗硼操作温度低,不易使工件产生变形,适用范围广,能满足低熔点工件的渗硼处理,且渗硼剂可重复使用,渗硼后工件易与附着的渗硼剂分离,容易得到厚度、形貌理想的渗硼层。
发明内容
本发明的目的在于针对目前固体渗硼、液体渗硼、气体渗硼中存在的缺陷,提供一种渗硼操作温度低,渗硼剂可重复使用,渗硼工件易清理,有望工业化生产的低温电解渗硼剂及渗硼工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种低温电解渗硼用渗硼剂,其渗硼剂由以下组分组成:65~98.9wt.%NaBF4、1~20wt.%B2O3、0.1~15wt.%添加剂,添加剂包括LiF、NaF、KF、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、LiCl、NaCl、KCl、CaCl2中的一种或多种。
NaBF4优选的比例范围为75~90wt.%。
B2O3优选的比例范围为5~15wt.%。
添加剂优选的比例范围为5~10wt.%,优选NaF、KF、Na2CO3、K2CO3、NaCl、KCl、CaCl2。
使用上述的渗硼剂的低温电解渗硼工艺,
(1)按配比称取渗硼剂各组分,混合均匀,备用;
(2)金属工件表面预处理,备用;
(3)将配制好的渗硼剂升温处理,待渗硼剂熔化完全后,保温,然后金属工件作为阴极,石墨材料作为阳极,通以直流电,电解后,断电,将金属工件从渗硼剂熔体中取出,冷却,清理附着的电解质。
步骤(1)中渗硼剂各组分预先置于真空干燥箱中干燥12h以上。
步骤(2)的金属工件表面预处理的具体过程:依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对金属工件表面进行机械抛光处理,除去表面氧化层,用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗10~30min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用。
步骤(3)升温温度控制在450~850℃,优选为500~800℃;直流电流密度控制在50~800mA·cm-2,优选为50~350mA·cm-2;电解时间0.5~12h。
所述的渗硼剂重复使用,仅需根据配方需要适当添加相应组分,即满足继续使用的要求。
所述的渗硼剂能够进行包括Fe、Ti、Zr、Nb、Ta、Ni、Cr、Mo、Co、V、W在内的高熔点金属及相关合金材料的渗硼处理,还适于进行包括Al、Mg在内的低熔点金属及相关合金材料的渗硼处理。
本发明的添加剂的作用在于改善电解质的导电率、提高电解质流动性并调节电解质的初晶温度。
本发明渗硼剂的初晶温度低,渗硼操作温度低,不易使工件产生变形,适用范围广,能满足低熔点工件的渗硼处理,且渗硼剂可重复使用,渗硼后工件易与附着的渗硼剂分离,可以得到厚度、形貌理想的渗硼层。
附图说明
图1为本发明实施例1中试样物相分析图;
图2为本发明实施例1中试样截面微观形貌图;
图3为本发明实施例1中试样渗硼处理后,表面清理情况图;
图4为实施例2的低碳钢渗硼后截面微观形貌图。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明,而非限制本发明。
本发明的低温电解渗硼工艺步骤如下:
(1)渗硼剂的配制
按配比称取各组分(预先置于真空干燥箱干燥12h以上),混合均匀,备用;
(2)金属表面预处理
依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对金属工件表面进行机械抛光处理,除去表面氧化层,用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗10~30min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用;
(3)渗硼处理
将配制好的渗硼剂装入坩埚并置于电阻炉或电频炉中,金属工件作为阴极,石墨材料作为阳极,升温至450~850℃,保温,待渗硼剂熔化完全后,通以适当大小的直流电,电流密度控制在50~800mA·cm-2,并通入惰性气体,电解0.5~12h后,断电,将金属工件从渗硼剂熔体中取出,以适当方式冷却,清理附着的电解质。采用的惰性气体包括Ar、He中的一种或两种。
实施例1
采用的渗硼剂组成为NaBF4、B2O3和CaCl2。
表1实施例1低温渗硼剂原料配比
成分 | |||
含量(wt.%) | 77 | 15 | 8 |
(1)渗硼剂的配制
按配比分别称取上述烘干后的各组分,混合均匀,备用。
(2)金属表面预处理
选用钛板(TA1)作为渗硼工件,钛板规格为30×20×2.5mm,依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对工件进行机械抛光处理,除去表面氧化层,然后用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗20min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用;
(3)渗硼处理
将烘干的渗硼剂装入石墨坩埚并置于电阻炉中,钛板接阴极,石墨坩埚作为阳极,升温至750℃,保温,待渗硼剂熔化完全后,通以电流密度为300mA·cm-2的直流电,并通入Ar气体作为保护气氛,电解2h后,断电,将钛板从渗硼剂熔体中取出,以适当方式冷却,用沸水清理附着的电解质。
对工件进行XRD检测,工件的XRD图谱如图1所示,图谱显示工件表面渗层由TiB、TiB2组成。对工件截面进行SEM、EDS检测,其SEM图如图2所示,可以看出渗层分层明显,EDS结果显示外层物质中B含量为31~33wt.%,次外层物质中B含量为17~18.5wt.%,因此,可以确定外层为TiB2层,且厚度均一,该层平均厚度达2.5μm,次外层为TiB晶须层,该层平均厚度达2.2μm;图3为工件渗硼处理后,用沸水清理后的外貌图,可以看出用沸水即可满足清理要求。
实施例2
采用的渗硼剂组成为NaBF4、B2O3和NaCl。
表2实施例2原料配比
成分 | NaCl | ||
含量(wt.%) | 85 | 10 | 5 |
(1)渗硼剂的配制
按配比分别称取上述烘干后的各组分,混合均匀,备用。
(2)金属表面预处理
选用低碳钢板(Q235)作为渗硼工件,工件大小为30×20×5mm,依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对工件进行机械抛光处理,除去表面氧化层,然后用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗30min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用;
(3)渗硼处理
将配制好的渗硼剂装入石墨坩埚并置于电阻炉中,工件接阴极,石墨坩埚作为阳极,升温至650℃,保温,待渗硼剂熔化完全后,通以电流密度为200mA·cm-2的直流电,并通入He气体作为保护气氛,电解1h后,断电,将工件从渗硼剂熔体中取出,以适当方式冷却,用沸水清理附着的电解质。
对渗硼后的工件进行XRD检测,其XRD图谱显示工件表面渗层物相组成为FeB、Fe2B;对工件横截面进行SEM、EDS检测,结果显示,渗层分为两层,渗层外层为FeB层,厚度均匀,次外层为“锯齿状”的Fe2B层,两种渗层总厚度约为65μm。
实施例3
采用的渗硼剂组成为NaBF4、B2O3、KCl和NaF。
表3实施例3原料配比
成分 | KCl | NaF | ||
含量(wt.%) | 80 | 10 | 5 | 5 |
(1)渗硼剂的配制
按配比分别称取上述烘干后的各组分,混合均匀,备用
(2)金属表面预处理
选用钛板(TA1)作为渗硼工件,工件大小为30×20×2.5mm,依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对工件进行机械抛光处理,除去表面氧化层,然后用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗25min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用;
(3)渗硼处理
将烘干的渗硼剂装入石墨坩埚并置于电阻炉中,工件接阴极,石墨坩埚作为阳极,升温至700℃,保温,待渗硼剂熔化完全后,通以电流密度为150mA·cm-2的直流电,并通入Ar和He的混合气体作为保护气氛,电解2.5h后,断电,将钛板从渗硼剂熔体中取出,以适当方式冷却,用沸水清理附着的电解质。
对工件进行XRD检测,其XRD图谱显示工件表面渗层物相组成为TiB2、TiB;对工件横截面进行SEM、EDS检测,结果显示,渗层分为两层,渗层外层为TiB2层,厚度均匀,次外层为TiB层,两种渗层总厚度约为4.5μm。
实施例4
采用的渗硼剂组成为NaBF4、B2O3、CaCl2、Na2CO3和KF。
表4实施例4原料配比
成分 | KF | ||||
含量(wt.%) | 76 | 12 | 5 | 5 | 2 |
(1)渗硼剂的配制
按配比分别称取上述烘干后的各组分,混合均匀,备用
(2)金属表面预处理
选用Cr12MoV钢作为渗硼工件,工件大小为30×20×5mm,依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对工件表面进行机械抛光处理,除去表面氧化层,然后用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗20min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用;
(3)渗硼处理
将配制好的渗硼剂装入石墨坩埚并置于电阻炉中,工件接阴极,石墨坩埚作为阳极,升温至750℃,保温,待渗硼剂熔化完全后,通以电流密度为100mA·cm-2的直流电,并通入Ar气体作为保护气氛,电解1.5h后,断电,将工件从渗硼剂熔体中取出,以适当方式冷却,用沸水清理附着的电解质。
对渗硼后的工件进行XRD检测,其XRD图谱显示工件表面渗层物相组成为FeB、Fe2B;对工件横截面进行SEM检测,从SEM图可以看出,渗层厚度可达126μm。
Claims (11)
1.一种低温电解渗硼用渗硼剂,其特征在于,其渗硼剂由以下组分组成:65~98.9wt.%NaBF4、1~20wt.%B2O3、0.1~15wt.%添加剂,添加剂包括LiF、NaF、KF、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、LiCl、NaCl、KCl、CaCl2中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的低温电解渗硼用渗硼剂,其特征在于,NaBF4的比例范围为75~90wt.%。
3.根据权利要求1所述的低温电解渗硼用渗硼剂,其特征在于,B2O3的比例范围为5~15wt.%。
4.根据权利要求1所述的低温电解渗硼用渗硼剂,其特征在于,添加剂的比例范围为5~10wt.%,具体为NaF、KF、Na2CO3、K2CO3、NaCl、KCl、CaCl2。
5.使用权利要求1-4任一项所述的渗硼剂的低温电解渗硼工艺,其特征在于,
(1)按配比称取渗硼剂各组分,混合均匀,备用;
(2)金属工件表面预处理,备用;
(3)将配制好的渗硼剂升温处理,待渗硼剂熔化完全后,保温,然后金属工件作为阴极,石墨材料作为阳极,通以直流电,电解后,断电,将金属工件从渗硼剂熔体中取出,冷却,清理附着的电解质。
6.根据权利要求5所述的低温电解渗硼工艺,其特征在于,步骤(1)中渗硼剂各组分预先置于真空干燥箱中干燥12h以上。
7.根据权利要求5所述的低温电解渗硼工艺,其特征在于,步骤(2)的金属工件表面预处理的具体过程:依次用180#、400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸对金属工件表面进行机械抛光处理,除去表面氧化层,用去离子水将工件清洗干净后,再将工件置于超声波清洗机中用丙酮清洗10~30min,最后用去离子水冲洗干净,吹干,待用。
8.根据权利要求5所述的低温电解渗硼工艺,其特征在于,步骤(3)升温温度控制在450~850℃;直流电流密度控制在50~800mA·cm-2;电解时间0.5~12h。
9.根据权利要求8所述的低温电解渗硼工艺,其特征在于,步骤(3)升温温度控制在500~800℃;直流电流密度控制在50~350mA·cm-2。
10.根据权利要求5所述的低温电解渗硼工艺,其特征在于,所述的渗硼剂重复使用,仅需根据配方需要适当添加相应组分,即满足继续使用要求。
11.根据权利要求5所述的低温电解渗硼工艺,其特征在于,所述的渗硼剂能够进行包括Fe、Ti、Zr、Nb、Ta、Ni、Cr、Mo、Co、V、W在内的高熔点金属及相关合金材料的渗硼处理,还适于进行包括Al、Mg在内的低熔点金属及相关合金材料的渗硼处理。
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