CN114703447A - 一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂及其制备方法与应用，所述的渗硼剂，按质量百分比计由硼砂为40％～60％，碳化硼5％～10％，氟硼酸钾10％～20％，余量为碳化硅组成，总质量百分比为100％。本发明的获得单相Fe2B组织的渗硼剂能显著提高硬度，与热喷涂涂层相比，渗硼层的显微硬度提高20％～40％，而且制备方法成本低、工艺简单、便于大规模工程化应用，特别是可以针对零件的特定部位进行定向精准渗硼，对局部区域进行强化，实现产品的定制化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂及其制备方法与应用。
背景技术
平板闸阀具有密封可靠、结构简单、开关扭矩小和便于操作等优点，是石油行业油井采油树的最主要部件。平板闸阀在工作期间要承受携带泥沙的高压原油的强烈冲蚀作用，因此，要求阀板表面具有高的硬度和耐磨性，以提高阀门的使用寿命。目前主要是采用热喷涂工艺在钢件表面制备一层Co-WC涂层，以提高钢件表层的硬度和耐磨性。但是Co-WC粉末价格昂贵，导致Co-WC热喷涂涂层成本居高不下，给石油行业带来了巨大的压力。因此，寻求一种成本低廉、耐磨性能优良的表面强化技术取代现有的热喷涂工艺，就成为整个石油行业对石油机械制造商提出的迫切要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题和不足，满足石油行业的需求，而提供一种耐磨性能优良、成本低廉、工艺简单的用于强化工业用钢渗硼层具有单相Fe2B组织的渗硼剂及其制备方法与应用。
本发明开发了一种针对工业用钢的表面强化技术—膏剂渗硼工艺，和现有的表面强化技术(如热喷涂)相比，该技术可以在钢表面获得一层硬化层，其硬度可以和Co-WC热喷涂涂层相媲美，而且成本低、工艺简单、便于大规模工程化应用，特别是可以针对零件的特定部位进行定向精准渗硼，对局部区域进行强化，实现产品的定制化生产。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂，按质量百分比计由硼砂为40％～60％，碳化硼5％～10％，氟硼酸钾10％～20％，余量为碳化硅组成，总质量百分比为100％。
进一步优选，所述的硼砂、碳化硼、氟硼酸钾和碳化硅均为粒度为200～500目的粉末体。
为了达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：
一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比配方并称量硼砂(Na2B4O7)、碳化硼(B4C)、氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)；
(2)将配方中的硼砂(Na2B4O7)、碳化硼(B4C)、氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)放入球磨罐中，再放入配方等量的氧化锆研磨球，置于罐磨机上进行混料处理24h，使配方中的各组分混合均匀；取出氧化锆研磨球在水中清洗干净并烘干，备用；
(3)在混合均匀的配方中按质量比配方:聚乙烯醇水溶液＝2:1加入聚乙烯醇水溶液搅拌，制得具有单相Fe2B组织的膏状渗硼剂。
进一步优选，步骤(2)所述的氧化锆研磨球的直径为10～15mm。
进一步优选，步骤(3)所述的聚乙烯醇水溶液按质量百分比由聚乙烯醇为5％～10％，水为90％～95％配制而成。
为了达到上述目的，本发明采用的第三个技术方案是：
本发明的一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂在强化工业用钢渗硼层过渡区的应用。
进一步，所述应用的方法，包括以下步骤：
(1)将工业用钢工件分别在80#、200#、400#、600#、1000#耐水砂纸上逐级打磨，当打磨表面均为细小且方向相同的小划痕时，则丙酮超声清洗5分钟待用；
(2)将膏状渗硼剂涂覆于工件需要渗硼的表面，放入热处理炉中烘干；然后在渗硼剂表面涂覆一层耐火泥作为保护层，放入热处理炉中烘干；
(3)将涂覆了膏状渗硼剂和耐火泥的工业用钢工件放入热处理炉中加热到渗硼温度为900～1050℃，保温时间为4～7h。
(4)随后放入温度为25-30℃的水中淬火，之后敲去渗硼剂烧结形成的硬壳层，用钢丝刷在水槽中将工业用钢工件表面残留的渗硼剂刷掉。
进一步优选，步骤(2)中涂覆于工业用钢工件表面膏状渗硼剂的厚度为5～8mm，涂覆于渗硼剂表面保护层的厚度为1～3mm；烘干温度为150～300℃，烘干时间为1～2h。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：与热喷涂涂层相比，渗硼层的显微硬度提高10～40％，成本降低，而且工艺简单，便于大规模工程化应用，特别是可以针对零件的特定部位进行定向精准渗硼，对局部区域进行强化，实现产品的定制化生产。
附图说明
图1是410不锈钢渗硼层的显微组织图；
图2是渗硼层和涂层的表面显微硬度值图；
图3是渗硼层和涂层的摩擦系数图；
图4是304不锈钢渗硼层的显微组织图；
图5是316不锈钢渗硼层的显微组织图。
具体实施方式
下面将通过本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将0.4kg粒度为200目的的无水硼砂、0.1kg粒度为325目的碳化硼、0.1kg粒度为230目的氟硼酸钾和0.4kg粒度为200目的碳化硅放入卧式尼龙球磨罐中，再放入总重量为1kg、直径为15mm的氧化锆研磨球，置于滚筒式罐磨机上进行混料处理，混料时间为24h，使渗硼剂中的各组分混合均匀；在混合均匀的渗硼剂中加入重量百分比为3％的聚乙烯醇水溶液，制成膏状渗硼剂；将410不锈钢板分别在80#、200#、400#、600#、1000#耐水砂纸上逐级打磨，当打磨表面均为细小且方向相同的小划痕时，用丙酮超声清洗5分钟待用；在410不锈钢板表面涂抹5mm厚的膏状渗硼剂，放入热处理炉中于200℃烘干1h，使渗硼剂中的水分充分蒸发；然后在渗硼剂表面涂覆一层2mm厚的耐火泥作为保护层，放入热处理炉中于200℃烘干1h，使耐火泥中的水分充分蒸发；最后将工件加热到1050℃保温7h，取出后立即放入温度为25-30℃的水中淬火，之后用木槌敲去渗硼剂烧结形成的硬壳层，用钢丝刷在水槽中将工件表面残留的渗硼剂刷掉，渗硼过程即宣告结束。
制备出的渗硼层显微组织如图1所示，可以看出，在410不锈钢板表面形成了均匀单一的Fe2B相。由图2可知，渗硼试样的显微硬度平均值为1424.167HV，热喷涂试样的显微硬度平均值为929.367HV，前者的平均硬度要高于后者；由图3可知，渗硼层的摩擦系数与热喷涂涂层的摩擦系数相近。上述实验结果表明渗硼层的耐磨性能要好于热喷涂涂层。
实施例2
将0.5kg粒度为200目的的无水硼砂、0.1kg粒度为325目的碳化硼、0.1kg粒度为230目的氟硼酸钾和0.3kg粒度为200目的碳化硅放入卧式尼龙球磨罐中，再放入总重量为1kg、直径为15mm的氧化锆研磨球，置于滚筒式罐磨机上进行混料处理，混料时间为24h，使渗硼剂中的各组分混合均匀；在混合均匀的渗硼剂中加入重量百分比为3％的聚乙烯醇水溶液，制成膏状渗硼剂；将304不锈钢板分别在80#、200#、400#、600#、1000#耐水砂纸上逐级打磨，当打磨表面均为细小且方向相同的小划痕时，用丙酮超声清洗5分钟待用；在304不锈钢板表面涂抹5mm厚的膏状渗硼剂，放入热处理炉中于150℃烘干2h，使渗硼剂中的水分充分蒸发；然后在渗硼剂表面涂覆一层2mm厚的耐火泥作为保护层，放入热处理炉中于150℃烘干2h，使耐火泥中的水分充分蒸发；最后将工件加热到1050℃保温6h，取出后立即放入温度为25-30℃的水中淬火，之后用木槌敲去渗硼剂烧结形成的硬壳层，用钢丝刷在水槽中将工件表面残留的渗硼剂刷掉，渗硼过程即宣告结束。
制备出的渗硼层显微组织如图4所示，可以看出，在304不锈钢板表面形成了均匀单一的Fe2B相。
实施例3
将0.5kg粒度为200目的的无水硼砂、0.1kg粒度为325目的碳化硼、0.2kg粒度为230目的氟硼酸钾和0.2kg粒度为200目的碳化硅放入卧式尼龙球磨罐中，再放入总重量为1kg、直径为15mm的氧化锆研磨球，置于滚筒式罐磨机上进行混料处理，混料时间为24h，使渗硼剂中的各组分混合均匀；在混合均匀的渗硼剂中加入重量百分比为3％的聚乙烯醇水溶液，制成膏状渗硼剂；将316不锈钢板分别在80#、200#、400#、600#、1000#耐水砂纸上逐级打磨，当打磨表面均为细小且方向相同的小划痕时，用丙酮超声清洗5分钟待用；在316不锈钢板表面涂抹7mm厚的膏状渗硼剂，放入热处理炉中于150℃烘干2h，使渗硼剂中的水分充分蒸发；然后在渗硼剂表面涂覆一层3mm厚的耐火泥作为保护层，放入热处理炉中于150℃烘干2h，，使耐火泥中的水分充分蒸发；最后将工件加热到1050℃保温6h，取出后立即放入温度为25-30℃的水中淬火，之后用木槌敲去渗硼剂烧结形成的硬壳层，用钢丝刷在水槽中将工件表面残留的渗硼剂刷掉，渗硼过程即宣告结束。
制备出的渗硼层显微组织如图5所示，可以看出，在316不锈钢板表面形成了均匀单一的Fe2B相。
Claims (8)
1.一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂，其特征在于，按质量百分比计由硼砂为40％～60％，碳化硼5％～10％，氟硼酸钾10％～20％，余量为碳化硅组成，总质量百分比为100％。
2.根据权利要求1所述的具有单相Fe2B组织的渗硼剂，其特征在于，所述的碳化硼(B4C)，氟硼酸钾，二氧化铈和碳化硅均为粒度为200～500目的粉末体。
3.一种根据权利要求1或2所述的具有单相Fe2B组织的渗硼剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按质量百分比配方并称量硼砂(Na2B4O7)、碳化硼(B4C)、氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)；
(2)将配方中的硼砂(Na2B4O7)、碳化硼(B4C)、氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)放入球磨罐中，再放入配方等量的氧化锆研磨球，置于罐磨机上进行混料处理24h，使配方中的各组分混合均匀；取出氧化锆研磨球在水中清洗干净并烘干，备用；
(3)在混合均匀的配方中按质量比配方:聚乙烯醇水溶液＝2:1加入聚乙烯醇水溶液搅拌，制得具有单相Fe2B组织的膏状渗硼剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的氧化锆研磨球的直径为10～15mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的聚乙烯醇水溶液按质量百分比由聚乙烯醇为5％～10％，水为90％～95％配制而成。
6.一种根据权利要求3-5任一项所述的制备方法制得具有单相Fe2B组织的渗硼剂的应用，其特征在于，应用于强化工业用钢渗硼层过渡区。
7.根据权利要求6所述的渗硼剂的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将工业用钢工件分别在80#、200#、400#、600#、1000#耐水砂纸上逐级打磨，当打磨表面均为细小且方向相同的小划痕时，则用丙酮超声清洗5分钟待用；
(2)将膏状渗硼剂涂覆于工业用钢工件需要渗硼的表面，放入热处理炉中烘干；然后在渗硼剂表面涂覆一层耐火泥作为保护层，放入热处理炉中烘干；
(3)将涂覆了膏状渗硼剂和耐火泥的工业用钢放入热处理炉中加热到渗硼温度为900～1050℃，保温时间为4～7h；
(4)随后放入温度为25-30℃的水中淬火，之后用木槌敲去渗硼剂烧结形成的硬壳层，用钢丝刷在水槽中将工业用钢工件表面残留的渗硼剂刷掉。
8.根据权利要求7所述的应用方法，其特征在于，所述步骤(2)中涂覆于工业用钢表面膏状渗硼剂的厚度为5～8mm，涂覆于渗硼剂表面保护层的厚度为1～3mm，烘干温度为150～300℃，烘干时间为1～2h。
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| CN202210348394.4A Pending CN114703447A (zh) | 2022-04-01 | 2022-04-01 | 一种具有单相Fe2B组织的渗硼剂及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114703447A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3936327A (en) * | 1972-09-07 | 1976-02-03 | Elektroschmelzwerk Kempten Gmbh | Boriding composition |
| US4126488A (en) * | 1976-07-23 | 1978-11-21 | Deutsche Gold- Und Silber-Scheideanstalt Vormals Roessler | Boriding agent for boriding mass produced parts of ferrous and non-ferrous metals |
| JP2000119839A (ja) * | 1998-10-07 | 2000-04-25 | Hitachi Ltd | 鉄鋼部材表面の硼化処理法 |
| US6245162B1 (en) * | 1998-07-09 | 2001-06-12 | Houghton Durferrit Gmbh | Boriding agent |
| CN104746001A (zh) * | 2014-03-24 | 2015-07-01 | 南京理工大学 | 一种对工件进行渗硼的表面处理方法 |
-
2022
- 2022-04-01 CN CN202210348394.4A patent/CN114703447A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3936327A (en) * | 1972-09-07 | 1976-02-03 | Elektroschmelzwerk Kempten Gmbh | Boriding composition |
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| CN104746001A (zh) * | 2014-03-24 | 2015-07-01 | 南京理工大学 | 一种对工件进行渗硼的表面处理方法 |
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