高温渗硼新工艺

2005年第3期文章编号:10030794(2005)03-006603高温硎新工艺郭学兵,杨峰2,葛长路(1.晋城煤业集团机电总厂,山西晋城048006;2.中国矿业大学机电与材料工程学院,江苏徐州221008)摘要:对盐溶共晶化滲硼的基本原理和具体工艺进行了探讨。结果表明,采用盐溶共晶化渗硼可在较短的时间内在工件表面形成较厚的共晶组织渗层,渗层硬度适中,表面光洁。该工艺适合中小型工件的整体表面强化处理。组织关键词:盐浴;共晶化渗硼;共晶中图号:TG156文献标识码:A1前言大的内应力,在淬火和使用过程中发生剥落。大家都知道,钢经渗硼后,表面具有高的硬度、针对上述原因,人们最早希望渗硼后获得韧性高耐磨性,还有高的红硬性、耐蚀性及高温氧化性。稍好一点的Fe2B单相组织,但效果一般。近年来有因此,渗硼工艺应用于生产后,对于提高工件的使用研究渗硼共晶化,硼基共渗复合处理,这一技术最寿命,节约价格较贵的合金钢有明显的效果。但传早起步于日本与前苏联,国内的研究始于20世纪80统的渗硼工艺在钢表面形成的渗层是以硬而脆的相年代初期,根据具体原理与工艺方法不同可分为组成的金属间化合物。无论是双相硼化物层(FeB步法和两步法。但因其存在一些弊端,此2种工艺和Fe2B)之间,还是单相层(Fe2B)和基体之间,其晶仍然不能普及应用。为了解决上述问题,对盐浴共体结构、比容和热胀系数均不相同,使渗硼层存在巨晶化渗硼新工艺进行了初步研究和探讨,以便为开∈∈∈∈ CCCC5CCCCEEC《c《cccG《《《《c∈《∈∈∈∈∈cc∈∈∈∈∈c∈∈∈∈∈E∈G∈∈∈∈∈仁c仁c∈∈∈∈c《∈∈《c∈eee(2)浇注方法7结语浇注采用钢包底注。(1)在普通铸造生产中,对大型铸钢件采用顺序5铸件完全退火凝固方式可有效地避免缩孔、缩松和冷隔等缺陷。退火工艺如图3所示。(2)合理的完全退火可消除铸件的铸造应力,细化晶粒,均匀组织,消除组织缺陷,均匀化学成分,提86088℃炉冷却高铸件尺寸稳定性。650~700℃(3)合理布置拉肋可有效地防止铸件收缩变形,热保温热保证铸件尺寸精度60ch22310-24-6参考文献时间/[1]曹文龙铸造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1989图3回转台退火工艺[2]李隆盛铸造合金及熔炼[M]北京:机械工业出版社,1989Fig. 3 Annealing technique of gyration platform[3]丛勉铸造手册(第2卷铸钢)M].北京:机械工业出版社,19946铸件检验[4]谢明师铸造手册(第4卷造型材料)[M].北京:机械工业出版回转台清理完毕后,对其进行化学元素分析和社,1994[5]姜希尚,铸造手册(第5卷铸造工艺)[M],北京:机械工业出力学性能试验,均符合国家标准,达到了使用要求,完全合格。并对关键部位和热节部位进行X光探伤,没有发现裂纹、缩孔和夹碴。我公司生产的作者简介:张汝春(1974-),山东荷泽人,助理工程师,1998年S00M型掘进机已在几家煤矿企业生产中使用,回毕业于原黑龙江矿业学院机械制造工艺与设备专业,现从事工艺设转台至今没有发生质量问题,证明此铸造工艺是成计工作Tel:8441991-2748功的。收稿日期:20041216Discuss Casting Technology of the gyration platform ofS200M Roadhl中国煤化工ZHANG RU-chun. ZHANCNMHG(Jiamusi Coal Mine Machine Limited Company, Jiamusi 134UUZ, ChinaAbstract: The gyration platform is the important part of S200M roadheader. Its size is large and structure is complex,his accessory support maximal force. Through strict casting technique design and production process control, we can effective prevent forging blank to produce casting crack, shrinkage cavity and slag inclusion, pledge cast product qualityKey words: roadheader; gyration platform; casting: technology crack; shrinkage cavity modulus2005年第3期高温渗硼新工艺—郭学兵,等67拓渗硼新领域打下基础。(1)试验准备2试验原理及方法①将所有试样表面磨平;②高能球磨机将碳化2.1试验原理硼研磨成细粉末,再用稀释的水玻璃将其配成浓液在本试验中,采用B4C作为渗硼剂,B4C与铁直成胶水状,将碳化硼液用毛笔涂敷在试样表面,一般接反应,二者的反映方程式大概有以下几种:要涂0.5mm厚,并将涂好的试样放在温度为400℃B.C+4Fe= 4FeB +C(1)的电热干燥箱内烘干3~4h;③选择一段ψ4mmxB.C+8Fe= 4Fe,B+C(2)10mm×100m的钢管,其一端用一块厚10mm的B.C+7Fe= 4FeB+ Fe, C(3)钢板焊上,制备成金属坩埚。B4C+llFe= 4Fe,B+ FeC(4)(2)试验过程①将装有足量BaCl2的坩埚放入1600℃快速但上述反应为弱放热反应,反应放出的热童不足以升温箱式电炉内,设计好升温程序,打开电源,升温维持反应进行,只要提高反应的温度就可以促使反至160℃,将3组45号钢分别放入坩埚内,在熔盐应进行。如果BC和足量的Fe反应,则反应方程式内加热5min、10min、15mn:20mn、30mn后取出以式(4)为主。空冷;在高温盐浴中,试样表面通过固-固反应,首先②分别将3组20 CrMnTi、9siCr在熔盐内加热5生成FeB和Fe3C,这时FeB和Fe2C便与y-Fe的min、10min15mn、20min、30mn后取出空冷;基体相混合,形成液相。随着时间的推移,y-Fe基③再分别将3组T8、9SiCr在熔盐内加热5min、体对于低碳钢,在超过Fe2B和y-Fe的共晶温度mn、15min、20min、30min后取出水冷;1149℃以上时,试样表面熔化,随着时间的推移,Fe④将所有试样制样,在日本产 OLYMPUS金相原子迅速向液相区邻近的F2B、FeC和y-Fe扩显微镜下观察其组织形貌测量其渗层厚度,研究不展,实质是固态的Fe2B、Fe3C和y-Fe逐渐向液相同的渗硼时间对同一种钢种渗层厚度和组织的影响,以及不同的钢种在相同的渗硼时间内的渗硼厚熔入的过程。如果是在中碳钢或高碳钢的渗硼过程度和组织,来研究碳含量和合金元素对渗硼的影响。中,由于Fe2C具有较大的溶硼能力,其中碳原子可并用显微硬度计测量渗层的硬度分布。被硼原子置换而形成一定数量的Fe3(CB)相,它能3试验结果与分析与γ-Fe在1100℃以上首先反应形成一部分液相,(1)时间对共晶化渗硼层厚度的影响当温度进一步升高时,便只是固态的Fe2B、Y-Fe熔把45号钢试样加热到1160℃,分别保温不同入而使液相不断增加,并促使方程式(4)反应加速进时间(5、10、15、20、30min)后空冷至室温得到了共晶行。由于物质在液相中扩散转移的速度远大于在固化渗层的平均厚度,从中可以看出随着保温时间的相中的速度,因此,在获得相同厚度渗硼层的条件延长,渗层厚度显著增加(0、133m、532pm、798下,共晶化渗硼的时间大大缩短。渗硼层厚度及组pm、试样表面不平整)。这是由于液相区不断向邻织结构主要由时间控制,当液相中含硼量高,冷却后近的Fe2B和y-Fe扩展的结果。但是渗硼时间不就会出现过共晶组织,渗硼厚度相对就薄一些。随宜太长,因为时间过长的话液相区太宽容易流淌着时间的延长液相中含硼量减少渗硼组织就可能造成试样表面不平整(30min时),时间太短的话,渗出现共晶或亚共晶组织。层厚度又不够。试验结果表明,15~20min较合适。2.2试验条件及方法(2)钢种对共晶化渗硼层厚度的影响(1)试验材料对不同的钢种(20 CrMnti、45、T8)在熔盐中加热试样:20 CrMnTi、45钢、T8;尺寸:中10m×820min后冷至室温,得到了共晶化渗层的平均厚度mm:931pm,798pm,695μm),从中可以看出,随着含碳渗硼剂:工业纯BC;保护剂:白刚玉粉(α-量的增加,渗层厚度减薄。这是由于如果反应过程A1,0,);中有足够的Fe原子参与反应,反应方程式应以式盐浴介质:100%BaCl2;粘结剂:水玻璃。(4)V凵中国煤化工C量高的基体中,FeC(2)试验设备CNMHG行,因此含碳量越高1600℃快速升温箱式电炉、自制钢坩埚、电热反应速度越慢,渗层也就越溥。关于合金含量对渗干燥箱、托盘天平、日本产 OLYMPUS金相显微镜、层厚度有多大的影响,有待进一步研究。显微硬度计图1是20 CrMnti加热20min后水冷的金相组2.3试验过程织照片,其中白亮层是共晶渗层,黑色层是板条马氏68·高温渗硼新工艺——郭学兵,等2005年第3期体,渗层与基体之间有一条很明显的结合线。多的Fe2B相,次层则是共晶组织,则这样的渗硼层不仅有较高的硬度,而且韧性也较好。另外,20CrMnT试样是水冷处理的,试样表面未发现剥落现象,而普通的固体渗硼由于渗硼层脆性较大,一般不作水冷处理,这说明共晶化渗硼的方法,如果要求基体硬度较高的话,可以进行水冷处理得到马氏体型组织,如果要求韧性较好的话,可以进行空冷处理得到珠光体组织。图120 CrMnTi渗层(x100)由45钢渗层组织的放大照片(45钢渗层组织Fig 1 20CrMnTi penetrating layer( x 100×500)可见,渗层组织也是由许多黑白相间的条纹图2是45钢加热20min后空冷的金相组织照状领域组成,各领域的生长有一定的方向性,彼此之片,其中白亮层是共晶渗层,黑色层是珠光体+铁素间近乎平行,垂直于基体,呈喷泉状,不同领域交界体。图2中渗层厚度不均匀,是由于局部温度不同处组织较粗大造成的,渗层厚的地方温度稍高一些,表面液化的速由T8钢渗层组织的放大照片(T8钢渗层组织度稍快一些。×500可见,其组织呈菊花状,菊花内组织以一点为核心,呈放射状向外生长,菊花交界处组织较粗大。与文献[2]、[3]的结果一样。4结语(1)共晶化盐浴处理试样,可以在较短的时间内,在工件表面生成一层厚200~900μm的共晶渗层,共晶渗层的厚度主要由保温时间控制,随着时间的增加,渗层厚度显著增加,但时间不宜过长,以避图245钢渗层(x100)免试样表面不平整。Fig 2 45 penetrating layer( x 100)(2)共晶化渗硼后,根据需要,可以对试样进行(3)影响渗硼厚度的主要原因水冷或空冷处理,低碳钢的共晶组织呈近似平行的由上述可知,当含碳量由0.2%增加到0.8%条纹状,中碳钢的共晶组织呈条纹状与菊花状的混时,渗层厚度减小了大概100m,而渗硼时间由5合,且与基体垂直整体呈喷泉状,高碳钢的共晶组min到20min,渗硼厚度由0增加到798μm,由此可织呈菊花状。见,渗硼厚度主要由时间决定。(3)共晶化渗硼虽然温度高于常规200℃左右(4)共晶化渗硼层组织形貌分析但其时间大大减少,具有节能的优点,且不需要专门由20cMni渗层组织的放大照片(20 CrMnti渗设备,工艺也较简单。层×500)可以看出,共晶层由近似平行的黑白相间参考文献:的条纹组成,不同领域相交界处组织较粗大。在渗1马鹤庆渗哪共晶化组织的研究[]金属热处理学报,182层表面有一定数量的边界平直的白色四方块相,而2]陈行康渗疆共晶化复合处理[]金属热处理,98,(12):3-9渗层与基体交界处未发现这样的组织,该相显微硬3]邵会孟渗硼组织共晶化[金属热处理学报,1982,3(1):62-度检测结果为1300HV0.1左右,条纹状共晶处为10HV0.1左右,由此可判定该相为未熔的Fe2B。因[4]叶荣昌.自蔓延高温滲硼共晶化的研究[J].热加工工艺,20(1):21-24.为Fe2B硬度较高,而条纹状共晶组织中的γ-Fe软相与基体具有相同的组织结构,与基体结合牢固,从作者简介:郭学兵(1972-),山西阳城人,工程师,1996年毕业于中国矿业大学矿山机械工程系,现在晋城煤业集团机电总厂工作而可提高渗层的韧性,减小脆性。如果合理控制渗T:0356-360215-mi: kgrb163,cm硼的温度和保温时间,使得到的渗硼层外面含有较收稿日期:20041210Study on Eutectic Melting Boriding in Salt BathGUO Xue-bing, YANG Feng,GE Chang-lu(1. The Machinery and Electricity Complex Factory of Jincheng Coal Industry Group, Jincheng 048006, China2. School of Mechatronic Materials Engineering, China University221008 ChinaAbstract: The basic principle and specific process of eutectic mel中国煤化工 investigated initially inthis paper. The experimental results show that a thicker penetratiface of workpieces in shorter time through eutectic melting boridingcAMH Gn be formed on the sur-suitable the thickness can be controlled and the smoothness of the surface of workpieces is high. The above technologycan be used as surface strengthening process of middle and small size workpiecesKey words: salt bath; eutectic melting boriding: eutectic structure