一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法与流程

本发明属于球墨铸铁表面处理技术领域，具体涉及一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法。

背景技术：

球墨铸铁内富含石墨，在摩擦过程中形成转移膜，具有良好的减摩作用，广泛应用在汽车传动轴、机床导轨等关键精密运动部件。但球墨铸铁的硬度低，在承受高载荷时，基体发生严重的塑形变形而导致剧烈的粘着磨损。因此急需一种提高球墨铸铁耐磨性的表面强化工艺。

渗硼是一种常见的热处理方法，渗硼表面的硬度、耐蚀性和耐磨性远非一般硬化表面可比。通过对钢/铁基表面渗硼处理，在表层形成fe2b/feb高硬度表层，提高摩擦副硬度，获得具有良好耐磨的表面，并改善耐热性和耐蚀性。通过调整渗硼工艺，还可以实现渗硼层的硬度和厚度等物性参数的调控制备。渗硼方式有固体渗硼、气体渗硼、盐浴渗硼等，其中固体渗硼因具有操作方便、渗剂重复使用性好、成本较低和渗层厚度与组织易控制等优点在生产中得到较广泛的应用。但传统渗硼工艺在高温(950℃以上)环境中进行，零件的热变形增大，极大的限制球墨铸铁在精密运动部件上的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，在降低渗硼温度的同时，可得到厚度大且均匀的渗层，有效提高球墨铸铁的显微硬度和耐磨性。

本发明所采用的技术方案是，一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、球墨铸铁预处理；

步骤2、粉末渗硼剂和密封材料制备；

步骤3、渗硼处理；

步骤4、渗硼后处理，最终得到高硬度的渗硼表面。

本发明的特点还在于，

步骤1中预处理包括：

步骤1.1、依次使用600#、800#、1000#和1200#的金相砂纸打磨球墨铸铁，去除表面氧化层；

步骤1.2、对经步骤1.1去除表面氧化层的球墨铸铁进行两次超声清洗，最终去除表面脂类和有机物；

步骤1.3、将经步骤1.2清洗后的球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理，获得易于硼原子扩散的活化表面。

步骤1.2中第一次超声清洗是使用去离子水超声清洗5～10分钟，第二次超声清洗是以无水乙醇为溶剂，清洗10～15分钟。

步骤1.3中对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时，磷化液由质量百分比为磷酸4-10％、硝酸盐5-15％、氧化锌3-8％、柠檬酸2-10％、稳定剂1-5％以及余量的水制备而成，对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时控制温度为10-70℃，时间为5-30分钟。

步骤2中粉末渗硼剂以质量备份比为3％～10％碳化硼、5％～10％氟硼酸钾、3％～5％活性炭、80％～90％碳化硅为原料，采用球磨方式混合均匀，然后加热干燥，后加入质量比为1％～2％的稀土氧化物制备而成。

步骤2中球磨时间6～20小时，球磨转速为200～500rpm，球磨后渗硼剂在真空干燥环境中进行干燥处理，干燥时间控制为60-120分钟，温度控制为120-150℃。

步骤2中密封材料以质量比为10～20％水玻璃为胶凝材料、1～5％氟硅酸钠做促凝剂、50～75％粘土为基础材料调和而成。

步骤3具体如下：

步骤3.1、先对铁质容器进行预渗硼处理作为渗硼罐，即在铁质容器中填入经步骤2制备的渗硼剂，压实之后密封，加热至950℃，保温6小时之后冷却；

步骤3.2、在完成预渗硼的渗硼罐内填充混合均匀的经步骤制备1的渗硼剂，再将经步骤1预处理后的球墨铸铁试样埋在渗硼剂中，然后再整箱填满、压紧渗硼剂，最后用经步骤2制备得到的密封材料进行密封；

步骤3.3、对密封后的容器加热至200～400℃并保温1-2小时，去除密封材料和渗硼剂中的水分，随后抽真空至10～100pa，将炉温控制在550～800℃时，渗硼时间控制在1～24小时。

步骤3.2中试样与箱壁间保持15-20mm的间隙。

步骤4具体如下：

步骤4.1、先粗打磨去除附着在渗硼试样表面的渗硼剂颗粒，然后细打磨至表面粗糙度ra＝1.6～3.2μm，待用；

步骤4.2、对打磨后的渗硼试样用无水乙醇超声清洗15～20分钟，并烘干处理，得到高硬度的渗硼表面。

本发明的有益效果是，一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，提供了一种渗层表面活化处理的技术与稀土催化技术相协同工艺，降低固体渗硼的渗硼温度，实现了固体渗硼技术的低温处理。该工艺操作方便，使用设备简单，获得的渗硼层硬度大、厚度深，具有良好的耐磨性，提高了球墨铸铁零件的使用寿命。

附图说明

图1是是本发明实施例1制备渗层截面图；

图2本发明实施例1的渗硼层物相分析图；

图3是本发明渗硼表面的磨损曲线；

图4是本发明渗硼表面的磨损率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、球墨铸铁预处理；

步骤1中预处理包括：

步骤1.1、依次使用600#、800#、1000#和1200#的金相砂纸打磨球墨铸铁，去除表面氧化层；

步骤1.2、对经步骤1.1去除表面氧化层的球墨铸铁进行两次超声清洗，最终去除表面脂类和有机物；

步骤1.3、将经步骤1.2清洗后的球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理，获得易于硼原子扩散的活化表面。

步骤1.2中第一次超声清洗是使用去离子水超声清洗5～10分钟，第二次超声清洗是以无水乙醇为溶剂，清洗10～15分钟。

步骤1.3中对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时，磷化液由质量百分比为磷酸4-10％、硝酸盐5-15％、氧化锌3-8％、柠檬酸2-10％、稳定剂1-5％以及余量的水制备而成，对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时控制温度为10-70℃，时间为5-30分钟。

步骤2、粉末渗硼剂和密封材料制备；

步骤2中粉末渗硼剂以质量备份比为3％～10％碳化硼、5％～10％氟硼酸钾、3％～5％活性炭、80％～90％碳化硅为原料，采用球磨方式混合均匀，然后加热干燥，后加入质量比为1％～2％的稀土氧化物制备而成。

步骤2中球磨时间6～20小时，球磨转速为200～500rpm，球磨后渗硼剂在真空干燥环境中进行干燥处理，干燥时间控制为60-120分钟，温度控制为120-150℃。

步骤2中密封材料以质量比为10～20％水玻璃为胶凝材料、1～5％氟硅酸钠做促凝剂、50～75％粘土为基础材料调和而成。

步骤3、渗硼处理；

步骤3具体如下：

步骤3.1、先对铁质容器进行预渗硼处理作为渗硼罐，即在铁质容器中填入经步骤2制备的渗硼剂，压实之后密封，加热至950℃，保温6小时之后冷却；

步骤3.2、在完成预渗硼的渗硼罐内填充混合均匀的经步骤制备1的渗硼剂，再将经步骤1预处理后的球墨铸铁试样埋在渗硼剂中，然后再整箱填满、压紧渗硼剂，最后用经步骤2制备得到的密封材料进行密封；

步骤3.3、对密封后的容器加热至200～400℃并保温1-2小时，去除密封材料和渗硼剂中的水分，随后抽真空至10～100pa，将炉温控制在550～800℃时，渗硼时间控制在1～24小时。

步骤3.2中试样与箱壁间保持15-20mm的间隙。

步骤4、渗硼后处理，最终得到高硬度的渗硼表面。

步骤4具体如下：

步骤4.1、先粗打磨去除附着在渗硼试样表面的渗硼剂颗粒，然后细打磨至表面粗糙度ra＝1.6～3.2μm，待用；

步骤4.2、对打磨后的渗硼试样用无水乙醇超声清洗15～20分钟，并烘干处理，得到高硬度的渗硼表面。

实施例1

1.依次使用600#、800#、1000#和1200#砂纸打磨球墨铸铁试样，去掉表面氧化层。依次用无水乙醇、丙酮，在超声波清洗机中清洗10分钟后烘干，保存待用。

2.将所述试样放入至磷化液中进行磷化处理，所述磷化液：磷酸4％、硝酸盐5％、氧化锌3％、柠檬酸2％、稳定剂1％以及余量的水；所述磷化处理的时间为5分钟，温度为常温。磷化结束后，将试样进行水洗、干燥。

3.选用渗硼剂的成分为：6％碳化硼(b4c)、10％氟硼酸钾(kbf4)、83％碳化硅(sic)、1％氧化镧(la2o3)。按照各成分配比称量，采用球磨方式对渗硼剂进行球磨细化，球磨时间为10小时，球磨转速为300rpm，混合均匀。

4.对所制备的容器进行预渗硼处理，在容器中填入渗硼剂，压实之后密封。随炉升温至950℃，保温6小时后随炉冷却。

5.调制密封材料，以20％水玻璃为胶凝材料，5％氟硅酸钠做促凝剂，75％粘土为基础材料，将其充分搅拌、备用。

6.将磷化后的试样装入容器中，保证渗硼剂厚度在20mm，并压实。使用配制的密封材料对容器端口密封，室温环境晾干，保证密封效果。

7.将渗硼容器装入电阻炉中，随炉升温至300℃，保温2小时，蒸发容器中水分。随后转到真空炉，抽真空到10pa，开始加热。温度控制在550～900℃时，优选为650℃。渗硼时间控制在12小时。

8.随炉冷却至室温，将容器从炉中取出。去掉密封层，取出试样。用600#砂纸打磨清理附着在试样表面的渗硼剂，再用1200#砂纸打磨至表面光滑。使用无水乙醇在超声波中清洗15分钟。

9.渗硼之后，采用显微硬度计测试渗硼表面硬度为1250hv0.5。对试样进行xrd检测，其xrd图谱如图1所示，检测结果显示试样表面渗层由feb、fe2b组成。对试样截面进行sem检测，其sem图如图2所示，可以在试样表面看到渗硼层的厚度均匀，平均厚度为60μm。

实施例2

1.依次使用600#、800#、1000#和1200#砂纸打磨球墨铸铁试样，去掉表面氧化层。依次用无水乙醇、丙酮，在超声波清洗机中清洗10分钟后烘干，保存待用。

2.将所述试样放入至磷化液中进行磷化处理，所述磷化液：磷酸3％、硝酸盐5％、氧化锌4％、柠檬酸2％、稳定剂2％以及余量的水；所述磷化处理的时间为5分钟，温度为常温。磷化结束后，将试样进行水洗、干燥。

3.选用渗硼剂的成分为：5％碳化硼(b4c)、10％氟硼酸钾(kbf4)、83％碳化硅(sic)、2％氧化铈(ceo2)。按照各成分配比称量，采用球磨方式对渗硼剂进行球磨细化，球磨时间为6小时，球磨转速为400rpm，混合均匀。

4.对所制备的容器进行预渗硼处理，在容器中填入渗硼剂，压实之后密封。随炉升温至900℃，保温8小时后随炉冷却。

5.调制密封材料，以22％水玻璃为胶凝材料，8％氟硅酸钠做促凝剂，70％粘土为基础材料，将其充分搅拌、备用。

6.将磷化后的试样装入容器中，保证渗硼剂厚度在20mm，并压实。使用配制的密封材料密封容器端口，室温环境晾干，保证密封效果。

7.将渗硼容器装入电阻炉中，随炉升温至250℃，保温4小时，蒸发容器中水分。随后转到真空炉，抽真空到50pa，开始加热。温度控制在600℃，渗硼时间为24小时。

8.随炉冷却至室温，将容器从炉中取出。去掉密封层，取出试样。用600#砂纸打磨清理附着在试样表面的渗硼剂，再用1200#砂纸打磨至光滑。使用无水乙醇在超声波中清洗15分钟。

采用多功能摩擦磨损实验机考察渗硼表面的干摩擦条件下的磨损性能。上试样用304不锈钢球，钢球直径为10mm，显微硬度为238hv0.49。盘试样为球墨铸铁基体(qt450)、实施例1和实施例2所得渗硼表面，表面粗糙度为0.1μm。载荷10n，速度0.02m/s，时间180分钟。磨损表面几何形貌如图3所示。结果表明，采用低温渗硼处理的球墨铸铁的磨损曲线显著低于未处理表面，其中方案1表面的磨损深度仅为3-5μm。图4所示为对应磨损率，采用实施例1渗硼耐磨性提高了77.8％，实施例2渗硼耐磨性提高了68.1％。测试结果显示，采用本发明专利制备的球墨铸铁渗硼表面具有良好的抗磨损性能。

实施例3

本发明一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、球墨铸铁预处理；

步骤1中预处理包括：

步骤1.1、依次使用600#、800#、1000#和1200#的金相砂纸打磨球墨铸铁，去除表面氧化层；

步骤1.2、对经步骤1.1去除表面氧化层的球墨铸铁进行两次超声清洗，最终去除表面脂类和有机物；

步骤1.3、将经步骤1.2清洗后的球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理，获得易于硼原子扩散的活化表面。

步骤1.2中第一次超声清洗是使用去离子水超声清洗5分钟，第二次超声清洗是以无水乙醇为溶剂，清洗10分钟。

步骤1.3中对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时，磷化液由质量百分比为磷酸4％、硝酸盐5％、氧化锌3％、柠檬酸2％、稳定剂1％以及余量的水制备而成，对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时控制温度为10℃，时间为5分钟。

步骤2、粉末渗硼剂和密封材料制备；

步骤2中粉末渗硼剂以质量备份比为3％碳化硼、5％氟硼酸钾、3％活性炭、80％碳化硅为原料，采用球磨方式混合均匀，然后加热干燥，后加入质量比为1％的稀土氧化物制备而成。

步骤2中球磨时间6小时，球磨转速为200rpm，球磨后渗硼剂在真空干燥环境中进行干燥处理，干燥时间控制为60分钟，温度控制为120℃。

步骤2中密封材料以质量比为10％水玻璃为胶凝材料、1％氟硅酸钠做促凝剂、50％粘土为基础材料调和而成。

步骤3、渗硼处理；

步骤3具体如下：

步骤3.1、先对铁质容器进行预渗硼处理作为渗硼罐，即在铁质容器中填入经步骤2制备的渗硼剂，压实之后密封，加热至950℃，保温6小时之后冷却；

步骤3.2、在完成预渗硼的渗硼罐内填充混合均匀的经步骤制备1的渗硼剂，再将经步骤1预处理后的球墨铸铁试样埋在渗硼剂中，然后再整箱填满、压紧渗硼剂，最后用经步骤2制备得到的密封材料进行密封；

步骤3.3、对密封后的容器加热至200℃并保温1小时，去除密封材料和渗硼剂中的水分，随后抽真空至10pa，将炉温控制在550℃时，渗硼时间控制在1小时。

步骤3.2中试样与箱壁间保持15mm的间隙。

步骤4、渗硼后处理，最终得到高硬度的渗硼表面。

步骤4具体如下：

步骤4.1、先粗打磨去除附着在渗硼试样表面的渗硼剂颗粒，然后细打磨至表面粗糙度ra＝1.6μm，待用；

步骤4.2、对打磨后的渗硼试样用无水乙醇超声清洗15分钟，并烘干处理，得到高硬度的渗硼表面。

实施例4

本发明一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、球墨铸铁预处理；

步骤1中预处理包括：

步骤1.1、依次使用600#、800#、1000#和1200#的金相砂纸打磨球墨铸铁，去除表面氧化层；

步骤1.2、对经步骤1.1去除表面氧化层的球墨铸铁进行两次超声清洗，最终去除表面脂类和有机物；

步骤1.3、将经步骤1.2清洗后的球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理，获得易于硼原子扩散的活化表面。

步骤1.2中第一次超声清洗是使用去离子水超声清洗10分钟，第二次超声清洗是以无水乙醇为溶剂，清洗15分钟。

步骤1.3中对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时，磷化液由质量百分比为磷酸10％、硝酸盐15％、氧化锌8％、柠檬酸10％、稳定剂1-5％以及余量的水制备而成，对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时控制温度为70℃，时间为30分钟。

步骤2、粉末渗硼剂和密封材料制备；

步骤2中粉末渗硼剂以质量备份比为10％碳化硼、10％氟硼酸钾、5％活性炭、90％碳化硅为原料，采用球磨方式混合均匀，然后加热干燥，后加入质量比为1％～2％的稀土氧化物制备而成。

步骤2中球磨时间20小时，球磨转速为500rpm，球磨后渗硼剂在真空干燥环境中进行干燥处理，干燥时间控制为120分钟，温度控制为150℃。

步骤2中密封材料以质量比为20％水玻璃为胶凝材料、5％氟硅酸钠做促凝剂、75％粘土为基础材料调和而成。

步骤3、渗硼处理；

步骤3具体如下：

步骤3.1、先对铁质容器进行预渗硼处理作为渗硼罐，即在铁质容器中填入经步骤2制备的渗硼剂，压实之后密封，加热至950℃，保温6小时之后冷却；

步骤3.2、在完成预渗硼的渗硼罐内填充混合均匀的经步骤制备1的渗硼剂，再将经步骤1预处理后的球墨铸铁试样埋在渗硼剂中，然后再整箱填满、压紧渗硼剂，最后用经步骤2制备得到的密封材料进行密封；

步骤3.3、对密封后的容器加热至400℃并保温2小时，去除密封材料和渗硼剂中的水分，随后抽真空至100pa，将炉温控制在800℃时，渗硼时间控制在24小时。

步骤3.2中试样与箱壁间保持20mm的间隙。

步骤4、渗硼后处理，最终得到高硬度的渗硼表面。

步骤4具体如下：

步骤4.1、先粗打磨去除附着在渗硼试样表面的渗硼剂颗粒，然后细打磨至表面粗糙度ra＝3.2μm，待用；

步骤4.2、对打磨后的渗硼试样用无水乙醇超声清洗20分钟，并烘干处理，得到高硬度的渗硼表面。

实施例5

本发明一种低温渗硼的球墨铸铁耐磨表面制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、球墨铸铁预处理；

步骤1中预处理包括：

步骤1.1、依次使用600#、800#、1000#和1200#的金相砂纸打磨球墨铸铁，去除表面氧化层；

步骤1.2、对经步骤1.1去除表面氧化层的球墨铸铁进行两次超声清洗，最终去除表面脂类和有机物；

步骤1.3、将经步骤1.2清洗后的球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理，获得易于硼原子扩散的活化表面。

步骤1.2中第一次超声清洗是使用去离子水超声清洗8分钟，第二次超声清洗是以无水乙醇为溶剂，清洗12分钟。

步骤1.3中对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时，磷化液由质量百分比为磷酸8％、硝酸盐10％、氧化锌3-8％、柠檬酸7％、稳定剂3％以及余量的水制备而成，对球墨铸铁用磷化液进行表面活化处理时控制温度为50℃，时间为20分钟。

步骤2、粉末渗硼剂和密封材料制备；

步骤2中粉末渗硼剂以质量备份比为6％碳化硼、6％氟硼酸钾、4％活性炭、85％碳化硅为原料，采用球磨方式混合均匀，然后加热干燥，后加入质量比为1.5％的稀土氧化物制备而成。

步骤2中球磨时间15小时，球磨转速为400rpm，球磨后渗硼剂在真空干燥环境中进行干燥处理，干燥时间控制为90分钟，温度控制为130℃。

步骤2中密封材料以质量比为15％水玻璃为胶凝材料、3％氟硅酸钠做促凝剂、60％粘土为基础材料调和而成。

步骤3、渗硼处理；

步骤3具体如下：

步骤3.1、先对铁质容器进行预渗硼处理作为渗硼罐，即在铁质容器中填入经步骤2制备的渗硼剂，压实之后密封，加热至950℃，保温6小时之后冷却；

步骤3.2、在完成预渗硼的渗硼罐内填充混合均匀的经步骤制备1的渗硼剂，再将经步骤1预处理后的球墨铸铁试样埋在渗硼剂中，然后再整箱填满、压紧渗硼剂，最后用经步骤2制备得到的密封材料进行密封；

步骤3.3、对密封后的容器加热至300℃并保温1.5小时，去除密封材料和渗硼剂中的水分，随后抽真空至60pa，将炉温控制在700℃时，渗硼时间控制在13小时。

步骤3.2中试样与箱壁间保持18mm的间隙。

步骤4、渗硼后处理，最终得到高硬度的渗硼表面。

步骤4具体如下：

步骤4.1、先粗打磨去除附着在渗硼试样表面的渗硼剂颗粒，然后细打磨至表面粗糙度ra＝2μm，待用；

步骤4.2、对打磨后的渗硼试样用无水乙醇超声清洗18分钟，并烘干处理，得到高硬度的渗硼表面。