CN105331926A - 用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述的共渗材料包括以下两部分材料：J-2型基盐、Cr-V-RE共渗材料，其中Cr-V-RE共渗材料由硼砂、NaF、K2CO3、V2O5、Cr2O3、铝粉和RE制成。经570℃×4h的N-C预渗，950℃×6h的Cr-V-RE共渗和550℃×2h回火处理后，45钢的渗层组织致密连续、耐腐蚀性强、硬度高，保证了塑料模具及各种机械零件耐腐蚀抗磨损的表面强化性能。本发明工艺简单，操作方便，热处理周期短，可控性强，弥补了单元渗金属或非金属性能不足的缺陷，应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及模具及机械零件表面强化领域，尤其是涉及一种用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料。
背景技术
45钢是塑料模具及机械零件的常用材料，价格低廉，容易获取，但常规热处理或渗碳、渗氮化学热处理表面硬度低、耐磨性差、耐腐蚀性差，影响塑料模具及机械零件的使用寿命。
常规塑料模具及机械零件表面强化技术大致分为三类；第一类是表面热处理包括表面淬火和化学热处理，表面淬火又有感应淬火、脉冲淬火、火焰淬火等，化学热处理如渗氮、渗碳、氮碳共渗、渗硼、渗铬、渗钒以及共渗稀土等；第二类是电镀和化学镀；第三类气相沉积包括PVC、CVD、PCVD等。通过表面强化技术，能进一步提高塑料模具及机械零件的表面硬度，耐磨性，耐蚀性等，提高使用性能和使用寿命。
本发明采用低温复合表面强化热处理技术，结合TRD技术，选用强氮碳化物V和Cr金属元素与RE、N、C共渗，渗层组织致密、耐腐蚀性强、硬度高，弥补了单元渗金属或非金属性能不足的缺陷，开拓45钢多元共渗的新领域，实现塑料模具及机械零件表面处理周期短的制造过程。
发明内容
本发明的目的是为45钢提供一种渗层组织致密、耐腐蚀性强、硬度高，可以不但弥补单元渗金属或非金属性能不足的缺陷，还缩短塑料模具及机械零件表面处理的周期的表面强化的新方法。
为了解决上述问题，本发明一方面提供一种用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述的共渗材料包括以下两部分材料：J-2型基盐、Cr-V-RE共渗材料。
优选的是，所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述J-2型基盐的由以下重量百分比的离子组成：M+44％～46％、CNO-38％～42％、CO2- 314％～18％，M+为Na+、K+、Li+的和。
优选的是，所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述Cr-V-RE共渗材料由以下的原料制成：硼砂、NaF、K2CO3、V2O5、Cr2O3、铝粉、RE。
优选的是，所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂52～64份、NaF6～12份、K2CO37～13份、V2O56份、Cr2O32～4份、铝粉4～9份、RE3～6份。
优选的是，所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂52份、NaF6份、K2CO37份、V2O56份、Cr2O32份、铝粉4份、RE3份。
优选的是，所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂58份、NaF9份、K2CO310份、V2O59份、Cr2O33份、铝粉6.5份、RE4.5份。
优选的是，所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂64份、NaF12份、K2CO313份、V2O512份、Cr2O34份、铝粉9份、RE6份。
J-2型基盐可以同时为基体提供N、C源，且该基盐的处理温度与45钢的回火温度相当，便于进行盐浴共渗与回火相结合的热处理。Cr-V-RE共渗材料中添加的硼砂在高温下分解产生偏硼酸钠，偏硼酸钠能溶解基体表面原有的氧化层，从而保持试样表面清洁，有利于表面吸附活性钒原子。NaF作为活化剂能有效提高盐浴活性，提高渗金属的速度并有一部分中性盐的作用。铝在盐浴中与V2O5、Cr2O3反应生成Al2O3，Al2O3形成致密的薄膜把其它铝包裹阻止铝的继续反应，而NaF可使Al2O3出现钠熔现象，导致部分Al2O3孔道出现熔融坍塌，让Al可以继续置换出V和Cr的活性原子。Cr-V-RE共渗材料中的铝粉还可以作为还原剂，铝粉较硅粉或其他适合于盐浴中使用的还原剂的还原能力强，而且铝粉还可以提高盐浴的流动性。K2CO3有利于改善盐浴的流动性，使试样残盐的清理变易，且K2CO3高温下分解的金属氧化物，K2O能促进Cr在盐浴中的溶解，能起催渗作用。V2O5和Cr2O3供铬供钒剂均选择相应的氧化物粉末，首先合金和金属粉价格比较贵，粉碎困难，比重偏析严重；其次选用合金和金属粉作渗剂很难得到光滑的表面，这是原因金属比重大易沉聚于坩埚底部，并在盐浴中不易完全熔解，有时会烧结成团。特别是金属颗粒固牢地粘焊在试样表面时，会影响表面的活性，还要通过充分搅拌和采取其它适当措施才能解决，会增加经济成本和劳动量。由于氧化物在硼砂浴中易熔解，有利于悬浮，不会偏聚于坩埚底部和粘附于工件表面，可缩短处理时间，降低成本，提高质型。所以供铬供钒剂选用V2O5、Cr2O3粉末。RE在盐浴中起到加速化学反应的进行，同时提供更多的活性原子，并可以加速活性原子的扩散。
本发明采用低温复合表面强化热处理技术，结合TRD技术，选用强氮碳化物V和Cr金属元素与RE、N、C共渗，渗层组织致密、耐腐蚀性强、硬度高，弥补了单元渗金属或非金属性能不足的缺陷，开拓45钢多元共渗的新领域，实现塑料模具及机械零件表面处理周期短的制造过程。
附图说明
图1是N-C共渗3h后共渗层的组织形貌；
图2是N-C共渗4h后共渗层的组织形貌；
图3是N-C共渗5h后共渗层的组织形貌；
图4是Cr-V-RE共渗原料的重量分数为下限时的N-C-Cr-V-RE多元共渗层组织形貌；
图5是Cr-V-RE共渗原料的重量分数为中点时的N-C-Cr-V-RE多元共渗层组织形貌；
图6是Cr-V-RE共渗原料的重量分数为上限时的N-C-Cr-V-RE多元共渗层组织形貌；
图7是N-C-Cr-V-RE多元共渗层物相分析；
图8是N-C-Cr-V-RE多元共渗层显微硬度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，以令本领域的技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
首先用500#、1000#、2000#、3000#的砂纸依次打磨45钢试样，然后依次用丙酮、酒精和水清洗掉样品。采用J-2型基盐预渗N-C，工艺为570℃×3h，工艺为570℃×4h，工艺为570℃×5h，油冷。预渗N-C时间分别为3h、4h和5h，不同预渗时间下的渗层组织如图1、图2和图3所示。
图1、图2和图3分别为45钢在预渗N-C3h、4h和5h之后的渗层组织，由图可知渗层组织均为疏松层和致密层，且致密层主要物相是Fe3N。比较不同的预渗时间下的渗层可知，在实施例2的预渗时间为4h的条件下的预渗效果最好，表现为致密层较厚，连续性好，夹杂少。
实施例2
用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述的Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂52份、NaF6份、K2CO37份、V2O56份、Cr2O32份、铝粉4份、RE3份。
N-C预渗：首先用500#、1000#、2000#、3000#的砂纸依次打磨45钢试样，随后依次用丙酮、酒精和水清洗掉样品。采用J-2型基盐对45钢进行预渗N-C，工艺为：570℃×4h，油冷。将预渗N-C试样的疏松层抛掉，然后依次用丙酮、酒精和水清洗掉预渗样品。
Cr-V-RE共渗：将电阻炉升温至850℃，开始加入硼砂；间隔10min将NaF和K2CO3混合加入硼砂中，调节硼砂流动性。间隔10min后将V2O5和Cr2O3混合加入硼砂中，搅拌之后压入铝粉包(铝粉易燃需用铝箔包裹)还原出V2O5和Cr2O3中的V、Cr原子。间隔10min后加入稀土，稀土在盐浴中可以起到加速化学反应的进行，提供更多的活性原子，并可加速活性原子的扩散。间隔10min将熔盐搅拌均匀加入试样，升温至950℃，保温6h之后取出油冷，随后用至于沸水中清除附在试样表面的残盐。
回火：最后将经过共渗处理后的式样放入空气炉子中进行2h的550℃两次回火。
将经过N-C预渗、Cr-V-RE共渗和回火处理后的试样依次用丙酮、酒精和水清洗。分别测定N-C-Cr-V-RE多元共渗层从表面至基体的显微硬度和观察用5％硝酸酒精溶液腐蚀后的组织形貌。
实施例3
用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述的Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂58份、NaF9份、K2CO310份、V2O59份、Cr2O33份、铝粉6.5份、RE4.5份。
N-C预渗：用500#、1000#、2000#、3000#的砂纸依次打磨45钢试样，随后依次用丙酮、酒精和水清洗掉样品。采用J-2型基盐对45钢进行预渗N-C，工艺为：570℃×4h，油冷。将预渗N-C试样的疏松层抛掉，然后依次用丙酮、酒精和水清洗掉预渗样品。
Cr-V-RE共渗：将电阻炉升温至850℃，开始加入硼砂；间隔10min将NaF和K2CO3混合加入硼砂中，调节硼砂流动性。间隔10min后将V2O5和Cr2O3混合加入硼砂中，搅拌之后压入铝粉包(铝粉易燃需用铝箔包裹)还原出V2O5和Cr2O3中的V、Cr原子。间隔10min后加入稀土，稀土在盐浴中可以起到加速化学反应的进行，提供更多的活性原子，并可加速活性原子的扩散。间隔10min将熔盐搅拌均匀加入试样，升温至950℃，保温6h之后取出油冷，随后用至于沸水中清除附在试样表面的残盐。
回火：最后将经过共渗处理后的式样放入空气炉子中进行2h的550℃两次回火。
将经过N-C预渗、Cr-V-RE共渗和回火处理后的试样依次用丙酮、酒精和水清洗。分别测定N-C-Cr-V-RE多元共渗层从表面至基体的显微硬度和观察用5％硝酸酒精溶液腐蚀后的组织形貌。
实施例4
用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，所述的Cr-V-RE共渗材料由以下重量分数的原料制成：硼砂64份、NaF12份、K2CO313份、V2O512份、Cr2O34份、铝粉9份、RE6份。
N-C预渗：用500#、1000#、2000#、3000#的砂纸依次打磨45钢试样，随后依次用丙酮、酒精和水清洗掉样品。采用J-2型基盐对45钢进行预渗N-C，工艺为：570℃×4h，油冷。将预渗N-C试样的疏松层抛掉，然后依次用丙酮、酒精和水清洗掉预渗样品。
Cr-V-RE共渗：将电阻炉升温至850℃，开始加入硼砂；间隔10min将NaF和K2CO3混合加入硼砂中，调节硼砂流动性。间隔10min后将V2O5和Cr2O3混合加入硼砂中，搅拌之后压入铝粉包(铝粉易燃需用铝箔包裹)还原出V2O5和Cr2O3中的V、Cr原子。间隔10min后加入稀土，稀土在盐浴中可以起到加速化学反应的进行，提供更多的活性原子，并可加速活性原子的扩散。间隔10min将熔盐搅拌均匀加入试样，升温至950℃，保温6h之后取出油冷，随后用至于沸水中清除附在试样表面的残盐。
回火：最后将经过共渗处理后的式样放入空气炉子中进行2h的550℃两次回火。
将经过N-C预渗、Cr-V-RE共渗和回火处理后的试样依次用丙酮、酒精和水清洗。分别测定N-C-Cr-V-RE多元共渗层从表面至基体的显微硬度和观察用5％硝酸酒精溶液腐蚀后的组织形貌。
图4、图5和图6分别为45钢经过实施例2、实施例3和实施例4的N-C-Cr-V-RE多元共渗处理，并用5％硝酸酒精溶液腐蚀之后的组织形貌。综合比较可知，实施例3的渗层致密且连续性好，共渗效果最好。由此表明，45钢在由重量分数的硼砂58份、NaF9份、K2CO310份、V2O59份、Cr2O33份、铝粉6.5份、RE4.5份原料制成的Cr-V-RE共渗材料下的N-C-Cr-V-RE多元共渗效果最好。
图7为实施例3的N-C-Cr-V-RE多元共渗层物相分析图谱。由图7可知，渗层中主要含有CrN，VN，VC，V6C5，V8C7等相，其中CrN能提高渗层硬度和抗腐蚀性能，钒的氮碳化物则能提高渗层的耐磨性、耐腐性、韧性、强度、延展性和硬度以及抗热疲劳性等综合性能，共渗层中的这些物相使渗层具有了较优越的性能。
图8中的曲线a、曲线b和曲线c分别为45钢经过实施例3、实施例2和实施例4的N-C-Cr-V-RE多元共渗处理后由渗层至基体的显微硬度，由图8可知，曲线a、曲线b和曲线c的渗层硬度变化趋势一致，即从表面开始逐渐降低并过渡到基体硬度，且相同条件下，实施例3的显微硬度即曲线a的硬度最高，表明其强度最高。
实施例5
取N-C-Cr-V-RE多元共渗试样、调质试样和氮碳共渗试样进行两个周期的单位磨损量对比测试，测试结果如表1所示。对比表1的实验结果发现，多元共渗试样单位面积磨损量最少，两个周期的总磨损量仅为11.35mg/cm2，而调质试样的磨损量是它的16倍左右，氮碳共渗试样的磨损量是它的13倍左右，可见经过多元共渗处理的试样表面耐磨性非常好。
表1N-C-Cr-V-RE多元共渗试样、调质试样和氮碳共渗试样的单位磨损量情况
实施例6
取N-C-Cr-V-RE多元共渗试样和普通调质试样进行腐蚀失重及腐蚀速度测试，测试结果如表2所示。实验中多元共渗试样主要腐蚀形式为轻微点蚀，而普通调质试样表面腐蚀严重。由表2可知，无论是多元共渗试样还是普通调质试样，在10％H2SO4溶液中腐蚀都比10％HCl溶液中腐蚀严重，且随着腐蚀时间的增长，腐蚀失重量增加。普通调质试样在这两种酸中的腐蚀失重大概是多元共渗试样的5～6倍，可见多元共渗试样表面耐蚀性较好。
表2N-C-Cr-V-RE多元共渗试样和调质试样腐蚀及失重情况
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (7)
1.一种用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述的共渗材料包括以下两部分材料：J-2型基盐、Cr-V-RE共渗材料。
2.根据权利要求1所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述J-2型基盐的由以下重量百分比的离子组成：M+44％～46％、CNO-38％～42％、CO2- 314％～18％，M+为Na+、K+、Li+的和。
3.根据权利要求1所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述Cr-V-RE共渗材料由以下的原料制成：硼砂、NaF、K2CO3、V2O5、Cr2O3、铝粉、RE。
4.根据权利要求3所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量份数的原料制成：硼砂52～64份、NaF6～12份、K2CO37～13份、V2O56份、Cr2O32～4份、铝粉4～9份、RE3～6份。
5.根据权利要求3所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量份数的原料制成：硼砂52份、NaF6份、K2CO37份、V2O56份、Cr2O32份、铝粉4份、RE3份。
6.根据权利要求3所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量份数的原料制成：硼砂58份、NaF9份、K2CO310份、V2O59份、Cr2O33份、铝粉6.5份、RE4.5份。
7.根据权利要求3所述的用于45钢表面强化的N-C-Cr-V-RE多元共渗材料，其特征在于，所述Cr-V-RE共渗材料由以下重量份数的原料制成：硼砂64份、NaF12份、K2CO313份、V2O512份、Cr2O34份、铝粉9份、RE6份。
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