一种制备单相Fe2B渗层的方法及其应用

技术领域

本发明属于金属表面耐磨强化技术领域，尤其涉及一种制备单相Fe

背景技术

钢铁制品经渗硼后能获得高温硬度高、抗高温氧化和腐蚀性能好等优越性能，具有广阔的应用前景。然而渗硼层脆性大，只有获得Fe

根据棱角部位渗硼层的性能需求，要求棱角部位的渗硼层致密、无裂纹、无表层孔洞疏松、厚度薄且可控的单相Fe

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一个方面提出一种制备单相Fe

本发明的第二个方面提出了一种棱角部位包含上述单相Fe

根据本发明的第一个方面，提出了一种制备单相Fe

S1：初始活化渗硼阶段：加载电场强度为30V/cm～40V/cm的电场至渗硼罐内温度为640℃～740℃；

S2：加厚渗硼阶段：降低电场强度至10V/cm～20V/cm，维持所述渗硼罐内温度为640℃～740℃，保温180min～240min，制得单相Fe

本发明中，将电场辅助渗硼分为两个阶段，在初始活化渗硼阶段控制电场强度为30V/cm～40V/cm，使得渗硼罐内的电流先小后大，到达峰值后快速下降剧烈变化，使得渗硼罐在渗硼初期使温度快速上升到目标渗硼温度并使渗硼过程进入活化状态，渗硼罐内温度进一步提升至640℃～740℃，进入加厚渗硼阶段；控制加厚渗硼阶段电场强度为10V/cm～20V/cm，能控制和维持渗硼罐内温度为640℃～740℃，使得实际渗硼温度维持在低温铁素体温度区，最终能制得单相Fe

在本发明的一些实施方式中，在所述初始活化渗硼阶段前还包括：控制所述渗硼罐内温度为540℃～640℃，保温20min～40min。在初始活化渗硼前，将渗硼罐内的温度控制在540℃～640℃范围内，为电场辅助渗硼阶段所形成的焦耳热留下一定的升温区间，能有效的提高电流大小从而保证交流电场的促渗作用。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述初始活化渗硼阶段前还包括：以升温速率为4℃/min～5℃/min加热，控制密封有渗硼剂的渗硼罐内温度为540℃～640℃，保温20min～40min。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述S1中，加载电场强度为30V/cm～40V/cm的电场30min～60min至所述渗硼罐内温度为640℃～740℃。本发明中，电场加载时间随初始活化渗硼温度而变，初始活化渗硼温度越低，电场加载时间越长，初始活化渗硼温度越高，电场加载时间越短。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述渗硼罐内密封有渗硼剂，所述渗硼剂包括以6wt.％～10wt.％的B

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述S2中，在加厚渗硼阶段后期，还可通过加热来维持所述渗硼罐内的温度。本发明中，在加厚渗硼阶段后期，渗硼罐内因KBF

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述渗硼罐配置有平行电极板的高温密封容器。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述单相Fe

根据本发明的第二个方面，提出了一种钢铁制品，所述钢铁制品的棱角部位包含单相Fe

在本发明的一些实施方式中，所述单相Fe

在本发明的一些优选的实施方式中，所述单相Fe

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述单相Fe

本发明的有益效果为：采用本发明的渗硼方法，可在640℃～740℃的低温铁素体区进行渗硼，渗硼后冷却没有相变应力，渗层致密，无裂纹。将传统电场辅助渗硼分为两阶段，并用不同工艺控制渗硼组织，渗硼层可在十多微米至近百微米的很宽范围内保持Fe

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例所采用的三棱柱尺寸图；其中A为正视图，B为俯视图。

图2为本发明实施例2三棱柱基体上棱角部位渗硼层的SEM图。

图3为本发明实施例1(680℃)和实施例2(700℃)三棱柱基体上棱角部位渗硼层的XRD图。

图4为发明实施例3三棱柱基体上棱角部位渗硼层表面至内部硬度分布曲线图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

以下实施例中所采用的三棱柱用40CrNiMo钢加工而成，工件具体尺寸如图1所示，其中A为正视图，B为俯视图。

实施例1

本实施例提供一种包含单相Fe

(1)电场辅助渗硼剂配方：8wt.％的B

(2)用Φ60×60mm的含99wt.％α-Al

(3)配制180g渗硼剂：用天平依次称量140.4g的α-Al

(4)对需渗硼的棱角面除油除锈并机械抛光后，在开口渗硼罐底铺洒20mm的渗硼剂，然后将样品排列放置于渗硼剂上，各样品间距和样品与渗硼罐壁间距大于10mm，填满渗硼剂，盖上上导电板，插入用绝缘管套装的K型铠装热电偶。用密封盖及耐火泥密封材料将渗硼罐各连接处缝隙密封，在室温下风干固化耐火泥。

(5)待耐火泥风干后，将渗硼罐置于马弗炉中，将下、上导电板通过耐高温导线连接至炉壁外的交流电源，并将K型铠装热电偶用热电偶补偿线连接至热电偶温度显示器。加热升温至580℃并保温30分钟。

(6)开启辅助渗硼电源，将频率设置为100Hz，电压为200V，此时电场强度为30V/cm。打开辅助电场电源后，可观察到渗硼罐内电流连续增大，渗硼罐内温度也连续升高，约45分钟后渗硼罐内温度升至680℃。

(7)将辅助渗硼电源电压降至90～100V，此时电场强度为15V/cm，辅助渗硼电流下降，渗硼罐内的升温减弱并维持相对恒温，控制辅助渗硼电压以维持渗硼罐内稳定至670℃～690℃范围直至4h渗硼时间结束。最后关闭辅助渗硼电源和马弗炉电源随炉冷，当马弗炉温度降至150℃以下时取出渗硼罐空冷至室温，打开上导电板，取出样品。

实施例1制得的三棱柱样品渗硼层在角部厚度约为57μm，棱边部位平均厚度约为39μm，表层致密，疏松孔隙很少。

实施例2

本实施例提供一种包含单相Fe

(1)电场辅助渗硼剂配方：8wt.％的B

(2)用Φ60×60mm的含99wt.％α-Al

(3)配制180g渗硼剂：用天平依次称量140.4g的α-Al

(4)对需渗硼的棱角面除油除锈并机械抛光后，在开口渗硼罐底铺洒20mm的渗硼剂，然后将样品排列放置于渗硼剂上，各样品间距和样品与渗硼罐壁间距大于10mm，填满渗硼剂，盖上上导电板，插入用绝缘管套装的K型铠装热电偶。用密封盖及耐火泥密封材料将渗硼罐各连接处缝隙密封，在室温下风干固化耐火泥。

(5)待耐火泥风干后，将渗硼罐置于马弗炉中，将下、上导电板通过耐高温导线连接至炉壁外的交流电源，并将K型铠装热电偶用热电偶补偿线连接至热电偶温度显示器。加热升温至600℃并保温30分钟。

(6)开启辅助渗硼电源，将频率设置为100Hz，电压为200V，此时电场强度为30V/cm。打开辅助电场电源后，可观察到渗硼罐内电流连续增大，渗硼罐内温度也连续升高，约30分钟后渗硼罐内温度升至700℃。

(7)将辅助渗硼电源电压降至80～90V，此时电场强度为15V/cm，辅助渗硼电流下降，渗硼罐内的升温减弱并维持相对恒温，控制辅助渗硼电压以维持渗硼罐内稳定至690～710℃范围直至4h渗硼时间结束。最后关闭辅助渗硼电源和马弗炉电源随炉冷，当马弗炉温度降至150℃以下时取出渗硼罐空冷至室温，打开上导电板，取出样品。

实施例2制得的三棱柱样品渗硼层在角部厚度约为42μm，棱边部位平均厚度约为24μm，表层致密，疏松孔隙很少。

实施例3

本实施例提供一种包含单相Fe

(1)电场辅助渗硼剂配方：6wt.％的B

(2)用Φ60×60mm的含99wt.％α-Al

(3)配制180g渗硼剂：用天平依次称量144g的α-Al

(4)对需渗硼的棱角面除油除锈并机械抛光后，在开口渗硼罐底铺洒20mm的渗硼剂，然后将样品排列放置于渗硼剂上，各样品间距和样品与渗硼罐壁间距大于10mm，填满渗硼剂，盖上上导电板，插入用绝缘管套装的K型铠装热电偶。用密封盖及耐火泥密封材料将渗硼罐各连接处缝隙密封，在室温下风干固化耐火泥。

(5)待耐火泥风干后，将渗硼罐置于马弗炉中，将下、上导电板通过耐高温导线连接至炉壁外的交流电源，并将K型铠装热电偶用热电偶补偿线连接至热电偶温度显示器。加热升温至580℃并保温30分钟。

(6)开启辅助渗硼电源，将频率设置为100Hz，电压为200V，此时电场强度为30V/cm。打开辅助电场电源后，可观察到渗硼罐内电流连续增大，渗硼罐内温度也连续升高，约45分钟后渗硼罐内温度升至680℃。

(7)将辅助渗硼电源电压降至90-100V，此时电场强度为30V/cm，辅助渗硼电流下降，渗硼罐内的升温减弱并维持相对恒温，控制辅助渗硼电压以维持渗硼罐内稳定至670～690℃范围直至4h渗硼时间结束。最后关闭辅助渗硼电源和马弗炉电源随炉冷，当马弗炉温度降至150℃以下时取出渗硼罐空冷至室温，打开上导电板，取出样品。

实施例3制得的三棱柱样品渗硼层在角部厚度约为31μm，棱边部位平均厚度约为20μm，表层致密，疏松孔隙很少。

试验例

本试验例对实施例2制得的三棱柱基体上棱角部位渗硼层进行SEM测试，结果如图2所示。

从图2可看出，实施例2制得的三棱柱基体上棱角部位渗硼层表层致密，疏松孔隙很少。

本试验例还对实施例1(680℃)和实施例2(700℃)制得的三棱柱基体上棱角部位渗硼层进行XRD检测，结果如图3所示。

从图3可看出，实施例1和实施例2制得的三棱柱基体上棱角部位渗硼层为单相Fe

本试验例还对实施例3制得的三棱柱基体上棱角部位渗硼层进行显微硬度梯度测试，渗硼层两硬度点距离约为6μm，距离表面越远，样品硬度越低，压头产生凹坑越大，硬度点距离也相应变大。渗硼层表面至内部硬度分布曲线如图4所示。

从图4可看出，渗硼层表层硬度最高，约为1297.8HV

上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。