CN112538602B - 一种高镍铸铁工件表面处理工艺 - Google Patents

一种高镍铸铁工件表面处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高镍铸铁工件表面处理工艺，包括配置渗剂、工件与渗剂混合密封，加热炉内真空保温处理后，加热至680‑850℃进行表面处理，从而得到表面处理的高镍铸铁工件，渗剂包括B4C、BFe、TiFe、V2O5、Al、Al2O3、催化剂和活化剂，催化剂和活化剂具体包括含Y稀土、NH4Cl、NH4F、AlF3、NaF、NH4Br、NH4I、KBF4中的一种或几种的混合物。本发明的处理工艺，能够在较低的温度下对高镍铸铁工件进行表面处理，处理后的渗层较厚，渗层的结构和外观更好，具有良好的物理性质。

Description

一种高镍铸铁工件表面处理工艺
技术领域
本发明涉及金属工件加工处理技术领域，尤其涉及一种高镍铸铁工件表面处理工艺。
背景技术
在石油开采中，石油管道泵体作为一种重要的开采元件，其需要适应各种恶劣的开采环境，因此材料消耗特别大，泵体管道、叶轮及各种配件多采用高镍铸铁合金铸造而成，为了使工件能够更好地满足使用要求，现有技术采用表面硬化工艺是对高镍铸铁表面进行元素渗覆，然而常规处理工艺的渗层成分太过单一，材料的硬度层难以达标，渗覆的工艺不足以使渗层厚度满足要求，耐蚀性也较差，在使用过程中，表面渗层容易发生剥落，寿命短。
想要达到更好的表面处理效果，往往需要渗入更多的改性元素，整体改善金属的表面性能，然而多种元素的渗入对表面处理的工艺要求较高，例如更高的渗入处理的温度，更长的处理时间，这样会带来一些负面效应，比如：元素比例不当容易开裂甚至剥落，高温下使金属零部件发生变形，降低合格率；而低温下多元共渗的渗层的厚度不易达标，元素的渗入效果差。因此，多元共渗技术难度较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种能够在低温条件下进行的高镍铸铁工件的表面处理工艺。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种高镍铸铁工件的表面处理工艺，其包括如下步骤：
步骤一、配置渗剂，将渗剂填充在耐热密封罐中，将待处理高镍铸铁工件放入耐热密封罐中，并使渗剂包覆在高镍铸铁工件的表面，对耐热密封罐进行密封处理；
步骤二、将密封处理的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉；
步骤三、对加热炉进行抽真空处理，通入惰性气体对加热炉内气体进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*1.5-101.325*2kPa；
步骤四、加热炉升温至400-600℃，保温处理1-3h；
步骤五、处理完毕，将加热炉升温至680-850℃，保温8-12h，得到表面处理的高镍铸铁工件。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述渗剂包括B4C、BFe、TiFe、V2O5、Al、Al2O3、催化剂和活化剂。
铸铁工件和硼、钛、钒、铝共渗的合金组织表面综合性能增强，扩散层具有特殊的冶金针状结构，在单一渗B的情形下，渗层由FeB、Fe2B组成，在含一定浓度V2O5、超细Al粉和含Y催化剂在高温的作用下，扩散层除了有FeB、Fe2B外，还有(Fe,V,Ti)B,(Fe,V,Ti)2B,(Fe,V,Ti)3C,(Fe,V,Ti)7C3、等成分所组成，在8-16％Al的浓度范围内则形成不规则的FeBTiVAl+C的α固溶体层；零件渗V后VTi微粒均匀分布在Fe2B或(Fe2V)2B上，渗层连续、致密、无空隙；尤其是零件在渗Ti后，表面形成碳化钛，其硬度和耐磨性优于渗V和渗B层，渗Ti层还有较高的耐蚀性，抗侵蚀的能力优于其它金属层；硼钛钒渗层铝合金化渗层结构稳定，渗层厚弹性好；渗后综合性能：渗层厚度＞40μm，最高硬度可达到HV0.2 1900。
在以上技术方案的基础上，优选的，按质量百分比为100％计，所述渗剂包括10-20％B4C、25-35％BFe、6-10％TiFe、2-8％V2O5、8-16％Al、20-30％Al2O3、3-5％催化剂和1-2％活化剂。
化学热处理实际工作中Ti、V、Al渗覆温度原则上要大于900℃，用Ti、V、Al等元素进行低温共渗难于实现，发明研究证实一定比例的活化剂剂如NH4Cl、AlF3、NaF、KBF4、含Y稀土等加热后可以在含Al和V2O5渗剂的介质中分解形成一种活性气相化合物，在渗剂的热反应中起到了明显的活化作用，通过元素的交互作用引起了晶界的能量变化，渗覆零部件和FeB、FeTi材料在高温下会发生严重的脱碳，脱碳改变了材料的化学性质，可是在高温催渗的环境下气氛又有对材料的进行补碳过程，对材料表层结构重新进行了排列组合，催化剂分解的气氛不仅加速粉末在气相介质中的化学热处理过程，还可以大幅降低渗覆反应温度至680℃-850℃的温度区间，减少零件的变形，其中加入的活化剂可以大幅提高金属渗剂中Ti、V、Al活化性，提高渗覆速度。硼、钛、钒、铝高温多元共渗是以渗硼为主，多种元素在高温的环境下存在生成硼、钛、钒原子和氧化消耗硼、钛、钒、铝原子的矛盾，根据渗剂具有一定的氧化性的特性，要正确调整好各种原料比例，即可克服该矛盾。本工艺原理中加入了过量的Al元素，Al除了做还原剂过量的Al参加材料的渗覆，并能消耗反应中产生的少量氧原子生成Al2O3并放出热量，这样进一步增强材料渗覆反应。作为优选的，硼、钛、钒、铝渗剂比值为(8-12)：(2-4)：(1-3)：(3-7)。
本发明高温下反应式包括：
在以上技术方案的基础上，优选的，所述催化剂为卤化铵。
更进一步优选的，所述催化剂为NH4F、NH4Cl、NH4Br和NH4I中的一种或几种的混合物。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述活化剂包括含Y稀土。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述活化剂还包括NH4Cl、AlF3、NaF、KBF4中的一种或几种的混合物。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述含Y稀土为碳酸铈和/或碳酸镧。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤一还包括，向密封罐内加入碳粉，所述碳粉与渗剂的质量比为2-7：100。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述高镍铸铁工件为采油泵叶轮及其配件。
本发明的高镍铸铁工件表面处理工艺相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明在工件表面渗硼的情形下，利用含有钒、钛、铝和含Y催化剂的渗剂相互作用，在一定温度下，使渗层中具有(Fe,V,Ti)B、(Fe,V,Ti)2B、(Fe,V,Ti)3C和(Fe,V,Ti)7C3等成分，FeBTiVAl+C渗层连续致密，无空隙，具有良好的耐磨性和抗蚀性，硼钛钒渗层和铝合金话渗层结构稳定，渗层厚，弹性好，不易破裂脱落；
(2)由于常规的渗覆温度较高，容易破坏工件的结构形状，因此，本发明采用特定的活性剂成分，在加热后形成活性气相化合物，在渗剂的热反应中起到活化作用，通过元素交互作用的置换放热反应升高了渗剂的温度，引起晶界的能量变化，活性剂成分分解产生的气氛加速粉末在气相介质中的化学热处理过程，大幅度降低渗覆反应的温度区间，并减少零件变形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
分别称取10份B4C、35份BFe、10份TiFe、5份V2O5、8份Al、25份Al2O3、3份NH4F、2份KBF4和2份碳酸铈的粉末，混合均匀得到渗剂。
将100份渗剂粉末填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入氩气对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*1.5kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为400℃，保温处理3h，然后再升温至680℃，保温处理12h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
实施例2
分别称取20份B4C、25份BFe、6份TiFe、8份V2O5、16份Al、20份Al2O3、3份NH4Cl、0.5份碳酸镧、1份KBF4和0.5份AlF3的粉末，混合均匀得到渗剂。
将100份渗剂粉末和2份碳粉混合均匀填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂和碳粉对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入氩气对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*2kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为450℃，保温处理2h，然后再升温至700℃，保温处理11h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
实施例3
分别称取13份B4C、32份BFe、7份TiFe、6份V2O5、10份Al、26份Al2O3、4份NH4Br、0.5份碳酸铈、1份KBF4和0.5份碳酸镧的粉末，混合均匀得到渗剂。
将100份渗剂粉末和4份碳粉混合均匀填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂和碳粉对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入氩气对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*1.5kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为500℃，保温处理2h，然后再升温至750℃，保温处理10h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
实施例4
分别称取18份B4C、27份BFe、9份TiFe、5份V2O5、12份Al、22份Al2O3、5份NH4I、1份碳酸铈、0.5份NH4Cl和0.5份NaF的粉末，混合均匀得到渗剂。
将100份渗剂粉末和6份碳粉混合均匀后填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂和碳粉对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入氩气对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*2kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为550℃，保温处理2h，然后再升温至800℃，保温处理9h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
实施例5
分别称取15份B4C、30份BFe、8份TiFe、4份V2O5、13份Al、25份Al2O3、2份NH4F、2份NH4I、0.5份碳酸镧和0.5份KBF4粉末，混合均匀得到渗剂。
将100份渗剂粉末和7份碳粉填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂和碳粉对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入惰性气体对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*1.5kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为600℃，保温处理1h，然后再升温至850℃，保温处理8h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
对比例1
分别称取25份B4C、35份BFe、5份TiFe、6份Al、25份Al2O3、2份NH4F、2份NH4Cl粉末，混合均匀得到渗剂。
将渗剂填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂和碳粉对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入惰性气体对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*1.5kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为600℃，保温处理1h，然后再升温至850℃，保温处理8h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
对比例2
分别称取35份B4C、25份BFe、5份V2O5、5份Al、25份Al2O3、3份NH4F、2份NH4I粉末，混合均匀得到渗剂。
将渗剂填充在耐热密封罐中，将待处理的高镍铸铁铸造的石油泵叶轮放入耐热密封罐中，并使渗剂和碳粉对石油泵叶轮的表面进行包覆，对耐热密封罐进行密封处理，将密封后的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉，对加热炉进行抽真空处理，然后注入惰性气体对加热炉内的空气进行置换，保持加热炉内的压力为101.325*1.5kPa，然后升温加热炉，至炉内温度为600℃，保温处理1h，然后再升温至950℃，保温处理8h，处理完毕，降温至室温后，将密封罐从加热炉内取出，将高镍铸铁铸造的石油泵叶轮从密封罐内取出。
分别对实施例1-5以及对比例的叶轮外观、表面渗层形态、渗层的厚度、硬度进行检测，检测结果如下：
以上结果可以看出，采用本发明的处理工艺，配合特定的渗剂，可以有效降低处理过程的温度，从而避免高温下对工件产生性能影响，同时低温处理后的高镍铸铁工件的性能良好。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高镍铸铁工件表面处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、配置渗剂，将渗剂填充在耐热密封罐中，将待处理高镍铸铁工件放入耐热密封罐中，并使渗剂包覆在高镍铸铁工件的表面，对耐热密封罐进行密封处理；
步骤二、将密封处理的耐热密封罐吊入加热炉内，密封加热炉；
步骤三、对加热炉进行抽真空处理，通入惰性气体对加热炉内气体进行置换，保持加热炉内的压力为101.325×1.5-101.325×2kPa；
步骤四、加热炉升温至400-600℃，保温处理1-3h；
步骤五、处理完毕，将加热炉升温至680-850℃，保温8-12h，得到表面处理的高镍铸铁工件；
所述渗剂包括B4C、BFe、TiFe、V2O5、Al、Al2O3、催化剂和活化剂；按质量百分比为100%计，所述渗剂包括10-20%B4C、25-35%BFe、6-10%TiFe、2-8%V2O5、8-16%Al、20-30%Al2O3、3-5%催化剂和1-2%活化剂；
所述活化剂包括碳酸铈和/或碳酸镧和/或NaF；
步骤一还包括，向密封罐内加入碳粉，所述碳粉与渗剂的质量比为2-7：100。
2.如权利要求1所述的高镍铸铁工件表面处理工艺，其特征在于，所述催化剂为卤化铵。
3.如权利要求2所述的高镍铸铁工件表面处理工艺，其特征在于，所述催化剂为NH4F、NH4Cl、NH4Br和NH4I中的一种或几种的混合物。
4.如权利要求1所述的高镍铸铁工件表面处理工艺，其特征在于，所述活化剂还包括NH4Cl、AlF3或KBF4中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的高镍铸铁工件表面处理工艺在采油泵叶轮及其配件表面处理中的应用。
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