CN106367713A - 钛合金表面盐浴渗硼剂及其渗硼方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金表面盐浴渗硼剂及其渗硼方法，其特征是所述的盐浴渗硼剂由无水硼砂、碳化硅和氧化镧组成，其中碳化硅的质量百分比为10～30%，氧化镧的质量百分比为1～6%，其余为无水硼砂；渗硼的关键方法参数为渗硼温度1000～1200℃、渗硼保温时间2～5h。采用本发明所述渗硼剂及渗硼方法，在钛合金表面成功制备了渗层厚、硬度高、耐磨性能好、结合性能优良的渗硼层。本发明具有设备要求低、操作简单、渗速快、工件表面质量好、经济性能优良等优点，可用于工业实践生产，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明一种化学热处理技术，尤其是一种表面渗层技术，具体地说是一种钛合金表面盐浴渗硼剂及其渗硼方法。
背景技术
钛合金由于具有热膨胀系数低、耐腐蚀性能好、比强度和比刚度高等优异特性，成为航空、航天飞行器等高技术领域不可或缺的关键结构材料，并在石油化工、汽车制造和生物医学等国民经济领域获得了越来越多的应用。但钛合金还存在一些固有的缺陷，如硬度低、耐磨性差等，极大地限制了其应用范围。大量研究表明，钛的硼化物（如硼化钛、二硼化钛）具有硬度高、导热性好、电阻率低等优点，因此，如果在钛合金表面形成钛的硼化物，则可以改善钛合金的缺陷，拓宽了钛合金的应用领域。
盐浴催渗是一种常用的金属热处理方法，它具有设备成本低、加热速度快、便于淬火和回火等特点。与钢有关的大量研究表明：通过盐浴热处理，可以在不同种类的钢（如模具钢、工具钢等）表面渗入各种元素（如铬、碳、氮、硼），并取得了很好的效果。然而，有关钛合金表面盐浴催渗的研究很少，尤其是钛合金表面氧化镧催渗的盐浴渗硼研究，更是鲜有报道。可见，到目前为止，尚没有一种优良的适用于钛合金的硼砂盐浴渗硼剂及其渗硼方法可供使用。
发明内容
本发明是针对钛合金表面因缺少硼化物渗层而影响其硬度和耐磨性的问题，发明一种钛合金表面盐浴渗硼剂，同时提供一种相应的渗硼方法，它不仅获得了表面质量好、耐磨性好的渗硼层，而且具有很好的可操作性和优良的经济性。
本发明的技术方案之一是：
一种钛合金表面盐浴渗硼剂，其特征是：该盐浴渗硼剂由无水硼砂、碳化硅和氧化镧组成，其中碳化硅的质量百分比为10～30%，氧化镧的质量百分比为1～6%，其余为无水硼砂。
所述的无水硼砂和碳化硅为化学纯无水硼砂和化学纯碳化硅，氧化镧为分析纯氧化镧，其中，碳化硅和氧化镧的平均粒径不超过80 μm。
所述的氧化镧的纯度不低于99%。
本发明的技术方案之二是：
一种利用钛合金表面盐浴渗硼剂在钛合金表面渗硼的方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，分别用120#、280#、500#、800#金相砂纸将钛合金表面打磨至无明显划痕，最后用抛光机将其抛光至镜面。然后将试样浸泡于酒精溶液中，超声波清洗30min，取出吹干，备用。；
其次，按质量百分比称取无水硼砂、碳化硅和氧化镧，分别置于100～150 ℃干燥箱干燥1 h以上，备用；
然后，将装有无水硼砂的坩埚放入电阻炉中，加热至850 ℃，使硼砂熔化，并保温至少半小时；然后将温度升至1000 ℃，放入干燥好的碳化硅和氧化镧,搅拌，并保温半小时以上，使盐浴渗硼剂与碳化硅及氧化镧充分混合；再将工件放入坩埚内，在1000～1200℃温度下保温2～5 h取出空冷；
最后，先初步清理粘在工件上的盐晶，再将工件放入沸腾的质量分数为10%的Na2CO3溶液中，直至工件表面清洗干净，取出吹干，备用。
本发明的有益效果是：
（1）本发明提供了一种钛合金表面盐浴渗硼剂及其渗硼方法，其方法操作简单、能耗低、方法性能好。
（2）本发明获得了很好的表面质量，获得了具有较高的表面硬度、很宽的过渡区域、优良的梯度硬度和高耐磨性的渗硼层。
（3）在相同的渗硼方法参数下，与未添加氧化镧的渗硼层相比，添加氧化镧的渗硼层的过渡区域明显增厚，增幅为10.5%；表面硬度也有提高，增幅为6.25%。
（4）本发明所制得的渗层具有优良的摩擦磨损性能和很高的韧性。在球-盘式摩擦磨损试验机上（载荷50 N、转速100 r/min、时间10 min、对磨件为直径9.6 mm的钨钢球）进行摩擦磨损试验，未添加氧化镧的摩擦系数0.38，添加氧化镧的为0.35。结果表明添加氧化镧的渗硼层具有更好的韧性和耐磨性。
本发明具有设备要求低、操作简单、渗速快、工件表面质量好、经济性能优良等优点，可用于工业实践生产，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例二所述渗硼层金相图片。
图2是实施例三所述渗硼层金相图片。
图3是实施例二和实施例三所述渗硼层的梯度硬度图。
图4是实施例二和实施例三所述渗硼层的摩擦系数曲线。
图5是实施例四和实施例五所述渗硼层的摩擦系数曲线。
具体实施方式：
如图1~5所示。
实施例一。
一种利用钛合金表面盐浴渗硼剂在钛合金表面渗硼的方法，它包括以下步骤：
首先，分别用120#、280#、500#、800#金相砂纸将钛合金表面打磨至无明显划痕，最后用抛光机将其抛光至镜面。然后将试样浸泡于酒精溶液中，超声波清洗30min，取出吹干，备用；
其次，按质量百分比称取770无水硼砂、200克碳化硅和30克氧化镧，分别置于100～150℃干燥箱干燥至少1 h，备用；
然后，将装有无水硼砂的坩埚放入电阻炉中，加热至850 ℃，使硼砂熔化，并保温1 h；然后将温度升至1000℃，放入干燥好的碳化硅和氧化镧，搅拌，并保温1 h，使盐浴渗硼剂充分混合；再将工件放入坩埚内，升温至1050 ℃保温4 h后取出空冷。
最后，先初步清理粘在工件上的盐晶，再将工件放入沸腾的质量分数为10%的Na2CO3溶液中，直至工件表面清洗干净，取出吹干，备用。
实施例二。
基体材料为TC4钛合金，所采用的盐浴渗硼剂由90%的无水硼砂、10%的碳化硅组成；在1050 ℃下保温4 h进行渗硼处理后，即在钛合金表面制得渗硼层。
经金相显微镜检测其渗硼层厚度为26.55μm（图1），经显微硬度计测得其横截面梯度硬度如图3中曲线1所示，检测其摩擦磨损性能如图4所示，其平均摩擦系数约为0.38。
实施例三。
基体材料为TC4钛合金，所采用的盐浴渗硼剂由88%的无水硼砂、10%的碳化硅和2%的氧化镧组成；在1050 ℃下保温4 h进行渗硼处理后，即在钛合金表面制得渗硼层。
经金相显微镜检测其渗硼层厚度为29.34 μm（图2），与未添加氧化镧渗硼层厚度（图1）相比增加了10.51%；经显微硬度计测其表面硬度为1084 HV，与未添加氧化镧的表面硬度相比增幅约6.27%。由横截面梯度硬度图3可以看出，添加氧化镧的硬度变化比未添加氧化镧的平缓一些。由图4看出，添加氧化镧的摩擦系数（0.35）比未添加氧化镧的略小，耐磨性增加。
实施例四。
基体材料为TC4钛合金，所采用的盐浴渗硼剂由70%的无水硼砂、30%的碳化硅组成；在1050 ℃下保温4 h进行渗硼处理后，即在钛合金表面制得渗硼层。
检测其摩擦磨损性能，如图5中曲线1所示，稳定后的摩擦系数约为0.32。
实施例五。
基体材料为TC4钛合金，所采用的盐浴渗硼剂由64%的无水硼砂、30%的碳化硅和6%的氧化镧组成；在1050 ℃下保温4 h进行渗硼处理后，即在钛合金表面制得渗硼层。
检测其摩擦磨损性能，如图5中曲线2所示，稳定后的摩擦系数约为0.28，耐磨性得到提高。
实施例六。
一种利用钛合金表面盐浴渗硼剂在钛合金表面渗硼的方法，它包括以下步骤：
首先，分别用120#、280#、500#、800#金相砂纸将钛合金表面打磨至无明显划痕，最后用抛光机将其抛光至镜面。然后将试样浸泡于酒精溶液中，超声波清洗30min，取出吹干，备用；
其次，按质量百分比称取840克无水硼砂、100克碳化硅和60克氧化镧，分别置于100～150℃干燥箱干燥2 h，备用；
然后，将无水硼砂装入坩埚后再放入电阻炉中，加热至850 ℃，使硼砂熔化，并保温半小时；然后将温度升至1000℃，放入干燥好的碳化硅和氧化镧，搅拌，并保温增小时h，使盐浴渗硼剂充分混合；再将工件放入坩埚内，升温至1200 ℃保温2 h后取出空冷。
最后，先初步清理粘在工件上的盐晶，再将工件放入沸腾的质量分数为10%的Na2CO3溶液中，直至工件表面清洗干净，取出吹干，备用。
经实测，本实施例的硼化物渗层厚度、横截面梯度硬度、摩擦磨损性、平均摩擦系数等指标与实施例一相当并略有提升。
实施例七。
一种利用钛合金表面盐浴渗硼剂在钛合金表面渗硼的方法，它包括以下步骤：
首先，分别用120#、280#、500#、800#金相砂纸将钛合金表面打磨至无明显划痕，最后用抛光机将其抛光至镜面。然后将试样浸泡于酒精溶液中，超声波清洗30min，取出吹干，备用；
其次，按质量百分比称取690克无水硼砂、300克碳化硅和10克氧化镧，分别置于100～150℃干燥箱干燥2 h，备用；
然后，将装有无水硼砂的坩埚放入电阻炉中，加热至850 ℃，使硼砂熔化，并保温1.5h；然后将温度升至1000℃，放入干燥好的碳化硅和氧化镧，搅拌，并保温2h，使盐浴渗硼剂充分混合；再将工件放入坩埚内，升温至1000 ℃保温5 h后取出空冷。
最后，先初步清理粘在工件上的盐晶，再将工件放入沸腾的质量分数为10%的Na2CO3溶液中，直至工件表面清洗干净，取出吹干，备用。
经实测，本实施例的硼化物渗层厚度、横截面梯度硬度、摩擦磨损性、平均摩擦系数等指标与实施例一相当，部分指标略有下降（不超过1%）。
本发明未涉及部分均于现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种钛合金表面盐浴渗硼剂，其特征是：该盐浴渗硼剂由无水硼砂、碳化硅和氧化镧组成，其中碳化硅的质量百分比为10～30%，氧化镧的质量百分比为1～6%，其余为无水硼砂。
2.根据权利要求1所述的钛合金表面盐浴渗硼剂，其特征是所述的无水硼砂和碳化硅为化学纯无水硼砂和化学纯碳化硅，氧化镧为分析纯氧化镧，其中，碳化硅和氧化镧的平均粒径不超过80 μm。
3.根据权利要求1或2所述的钛合金表面盐浴渗硼剂，其特征是所述的氧化镧的纯度不低于99%。
4.一种利用权利要求1所述的钛合金表面盐浴渗硼剂在钛合金表面渗硼的方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，分别用120#、280#、500#、800#金相砂纸将钛合金表面打磨至无明显划痕，最后用抛光机将其抛光至镜面；
然后将试样浸泡于酒精溶液中，超声波清洗30min，取出吹干，备用；
其次，按质量百分比称取无水硼砂、碳化硅和氧化镧，分别置于100～150 ℃干燥箱干燥1 h以上，备用；
然后，将装有无水硼砂的坩埚放入电阻炉中，加热至850 ℃，使硼砂熔化，并保温至少半小时；然后将温度升至1000 ℃，放入干燥好的碳化硅和氧化镧,搅拌，并保温半小时以上，使盐浴渗硼剂与碳化硅及氧化镧充分混合；再将工件放入坩埚内，在1000～1200℃温度下保温2～5 h取出空冷；
最后，先初步清理粘在工件上的盐晶，再将工件放入沸腾的质量分数为10%的Na2CO3溶液中，直至工件表面清洗干净，取出吹干，备用。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112442652A (zh) * | 2019-08-27 | 2021-03-05 | 江苏大学 | 钛合金表面硼铝共渗剂及其共渗工艺 |
| CN114836711A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-08-02 | 长沙特耐金属材料科技有限公司 | 一种金属表面硬化方法 |
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