[发明专利]一种节能高效制备单一Fe2B渗层的技术

说明书

技术领域

本发明属于对金属零件表面进行改性的技术，特指一种用于钢铁材料零件表面强化的节能高效制备单一Fe₂B相渗层的方法。

背景技术

固体粉末法渗硼(简称粉末法渗硼)将硼元素渗入钢铁材料零件表层，形成具有很高硬度与耐磨性及一定的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力的渗硼层，从而能够提高许多在摩擦、磨损及高温氧化环境下使用的钢铁零部件的使用寿命，是目前应用最广的一种渗硼方法。

渗硼层一般分为两种类型：单一Fe₂B相的单相渗层和FeB+Fe₂B双相渗层。工程上一般希望获得单相Fe₂B渗层，而不是FeB+Fe₂B双相渗层。这是因为前者虽然硬度略低(HV1290～1680)，但韧性好，综合性能更高，适用范围广；后者的FeB相位于渗层外侧，虽然硬度(HV1890～2340)较内侧的Fe₂B相的高，但脆性较大，并且由于两种硼化物在比容、热膨胀系数等方面的差异，结果渗层易开裂，韧性较差，不适合用于对承受重载荷及冲击性载荷的零部件表面的强化。

采用传统的粉末法渗硼，为获得单相Fe₂B渗层，需要采用较低的渗硼气氛，渗速较慢；或者通过对在较高渗硼气氛下已经获得的FeB+Fe₂B双相渗层，在较高的温度下于真空或盐浴中另外进行长时间扩散处理，将其转化为单相Fe₂B渗层，但存在工时长、能耗高等不足之处。传统工艺还存在供硼剂利用率不高的缺点。

在传统粉末法渗硼中，硼向被渗零件内部扩散的速度较慢是影响快速形成较厚单相Fe₂B渗层的主要原因。由于硼的内扩散速度较慢，当渗硼气氛的硼势较高时，硼在表层富集，就会与先期形成的Fe₂B相反应，在渗硼层中Fe₂B相的外侧形成FeB相，得到FeB+Fe₂B双相渗层；当渗硼气氛的硼势降低至一定程度时，虽可避免FeB相的形成，得到单相Fe₂B渗层，但低的硼势又进一步相应降低渗速；另外，渗箱内含硼气氛扩散至渗硼件表面仅依靠热扩散来达到，也不利于渗硼件表面快速获得新鲜含硼气氛。

发明内容

针对传统粉末法渗硼中制约Fe₂B相快速形成的主要原因，本发明通过改进传统粉末法渗硼装置，在粉末渗硼剂与被处理零件上施加适当的交流电场，利用交流电场的物理作用，一方面在被渗零件表层增加硼向基体内扩散的通道，加快硼在零件表层向基体内的扩散速度；另一方面，利用交流电场强化渗硼剂间的化学反应，高效率提供活性硼原子，增加活性硼原子的浓度与活性；同时交流电场还能促进含硼气氛在渗箱内的扩散，加速含硼气氛在渗硼件表面的更新，大幅度提高供硼剂的利用率，从而可以采用供硼剂含量较低的渗硼剂，而不降低渗硼速度，从而降低渗剂成本；再配以优化的处理温度与处理时间，即可高效获得厚度可达100μm以上的单一Fe₂B相渗层。渗速可提高一倍以上，供硼剂的利用率相应提高。

本技术发明所述工作方法，其特征为：在耐热金属渗箱中放置一个与渗箱四周侧壁平行的柱状电极，柱状电极不接触渗箱，柱状电极与渗箱壁通过耐高温导线分别联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上；欲处理零件放置在渗箱中，被处理零件与柱状电极、渗箱四壁、渗箱顶部及底部的距离不小于10mm；零件欲渗硼表面间距离也不小于10mm；由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂完全填充渗箱，并与欲处理零件、柱状电极一起通过耐火泥密封在渗箱中；将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为500℃～850℃，当炉温到设定值后，在两极间加上0～250伏之间的交流电压，电流在1～20安培之间，根据所要求的单相Fe₂B渗层厚度确定保温时间，保温时间一般不短于30分钟，保温结束后渗箱随炉冷至室温后开箱取出工件。

本技术发明所述装置，其特征在于由置于固体粉末渗硼剂中与渗箱侧壁平行的柱状电极、盛放粉末渗硼剂与电极及欲渗硼零件的由耐热金属材料制备的渗箱及箱盖、电压在0～250伏范围连续可调的50Hz工频交流电源系统构成，交流电源两极分别由耐高温导线连接柱状电极及渗箱壁。

本发明中所述柱状电极直径范围5～30mm，采用熔点在1200℃以上的金属材料制作，可以是实心柱，也可为两端封闭的空心柱。