[发明专利]低碳镍钼钢的三段式碳-氮-硼三元气体深层共渗方法

说明书

低碳镍钼钢的三段式碳‑氮‑硼三元气体深层共渗方法，将低碳镍钼钢分别置于渗碳炉并加入由煤油，无水甲醇、液态氨气、硼酸与氧化镧组成的共渗剂，利用化学热处理方法在氧化镧等催化剂作用下，采用三段式三元气体共渗工艺，最终得到表面细针状马氏体，氮化物及硼化物，大幅提高零件的硬度及耐磨性；本发明的方法成本低廉、工艺简单可控，为生产高强高耐磨的表面改性钻头提供技术支持，从而在精密机械加工、国防工业和石油钻探等领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及新材料领域，特别涉及低碳镍钼钢的三段式碳-氮-硼三元气体深层共渗方法。

背景技术

钻头是石油钻井的重要工具，石油钻井用钻头在旋转时起着冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，传统渗碳工艺已逐渐不能满足。

近年来，科研工作者们对硼碳氮材料的合成制备做了诸多工作，其中三元共渗已有相关研究基础。如公开号为CN1442504A的中国专利申请《一种硼碳氮三元共渗方法》(申请号：CN02109879.4)所披露，利用固态供硼剂置于渗碳炉,与工件隔开放置,同时将碳、氮共渗液分别滴入渗碳炉,形成硼、碳、氮三元气相共渗，共渗温度750-870℃,共渗速度0.15～0.2mm/小时,出炉油冷或水冷。该项专利技术只考虑了低温共渗下浅层共渗技术渗层厚度仅为0.3mm，以渗碳(C)和渗氮(N)为主，低温下硼(B)的渗入量严重不足，影响了冲击韧性性能指标，并不能满足高硬度高耐磨性和抗高冲击工况件如石油钻井钻头等的使用要求。目前能够翻阅查询到的低碳镍钼钢(如20Ni₃Mo，20Ni₄Mo等)碳氮硼共渗技术仅能得到的共渗层厚度均小于0.7mm，相比较欧美国家在深层渗N技术(共渗层在1mm左右)，我国在深层渗N或共渗技术上显得不足。

发明内容

针对现有技术的现状，本发明的目的是提供一种三段式碳-氮-硼三元气体深层共渗方法，针对低碳镍钼钢，采用阶段性控制温度和控制时间的三段式三元共渗方法，得到深层共渗层，渗N层厚度可达0.75～1.2mm，使低碳镍钼钢疲劳寿命、和冲击韧性得到显著提升，可满足石油钻头等零件的深层渗N的需求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

低碳镍钼钢的三段式碳-氮-硼三元气体深层共渗方法，包括以下步骤：

(1)制备供硼剂，按重量百分比计，氧化镧稀土2～3％，碳化硼5～15％,氟硼酸钾15％，余量为碳化硅，均匀混合并粘结烘干成固态块状；此外，配制碳氮共渗液，共渗液按质量百分比计算，由50％的碳酰二胺、40％碳酸钠和10％的氯化钠组成；

(2)将待处理的低碳镍钼钢钻头工件置于滴控渗碳炉内，加热至860℃，排气1小时；

(3)采用三段共渗法进行气体三元深层共渗工艺

3.1、第一阶段是以渗碳为主，在初始加热温度为860℃下保温2h后渗碳，其中甲醇40滴/分钟，煤油120-160滴/分钟，煤油硫含量0.04％，炉压25-35mm汞柱，强渗期时间为5-8小时，扩散期为3-6小时,渗速为0.18-0.25mm/小时；

3.2、第二阶段是在第一阶段渗碳基础上同时进行渗碳和渗硼，在炉内气氛中加入步骤一制备的固体供硼剂和质量分数40％的氟化钠进行碳硼共渗，加入量按：氟化钠30g/h、供硼剂40g/h的消耗放置，此外，还需滴入10％质量分数的硼酸，滴速为40滴/分；或在第一阶段每升甲醇混合液中加入50g-60g的硼酸溶液，控制硼酸的用量在0.83g/min-1g/min之间，碳硼共渗期为1h，然后在原来860℃基础上继续升温至920℃，保温10h；