直流电场加速固体粉末渗硼的方法与装置.pdf

本发明为一种用于金属零件表面强化的直流电场加速固体粉末渗硼的方法与装置，其采取在固体粉末渗硼剂中相对零件欲渗硼面平行放置的板状电极作为电场正极，以需渗硼金属件作为负极。正负电极与渗硼剂装入渗箱中密封，置于箱式炉中加热，同时在需渗硼金属件与正极间施加直流电场，即可实现快速渗硼。该法与现行固体渗硼相比，在550～1000℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.4～2倍。因此，该方法与装置可提高固体粉末渗硼速度、降低渗硼温度、提高渗硼剂的利用率。

权利要求书
1.  直流电场加速固体粉末渗硼的方法，其特征是在由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂中放置一根据欲渗硼零件外形设计的板状电极，以该电极作为正极，以零件作为负极，两极相互平行，极间距离5～50mm，两极分别对应联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的专用直流电源的正、负极上，板状电极和零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为550～1000℃，当炉温到设定值后，在两极间加上0～250伏之间的电压。

2.  实现权利要求1所述的直流电场加速固体粉末渗硼的方法的装置，其特征在于由置于固体粉末渗硼剂(6)中的板状电极(3)、放置固体粉末渗硼剂的渗箱(2)、电压在0～250伏特范围连续可调的专用直流电源系统(5)构成，直流电源正负两极分别连接板状电极(3)与欲渗硼零件(4)。

3.  根据权利要求2所述的直流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于所述板状电极厚度范围0.2～10mm，采用熔点在1200℃以上的金属材料制作。

4.  根据权利要求2所述的直流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于板状电极形状与欲渗硼零件表面轮廓基本相仿。

5.  根据权利要求2所述的直流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于板状电极与欲渗硼零件之间的距离5～50mm。

6.  根据权利要求2所述的直流电场加速固体粉末渗硼的装置，其特征在于板状电极与欲渗硼零件之间相互平行放置。

说明书直流电场加速固体粉末渗硼的方法与装置
技术领域
本发明属于金属零件表面化学热处理的方法与装置，特指一种用于金属零件表面强化的直流电场加速固体粉末渗硼的方法与装置。
背景技术
将硼元素渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗硼。渗硼层具有很高的硬度、高耐磨性及一定的抗高温氧化能力和抗蚀能力，所以渗硼件应用范围较广。渗硼可分为固体、盐浴、电解和气相渗硼等方法。常用的是固体粉末渗硼、硼砂融盐渗硼。
目前的固体粉末渗硼根据零件性能要求及零件材质的不同，一般是在850～950℃之间进行的高温渗硼，常用保温时间3～8小时不等，获得30～200μm不等厚度的渗硼层。根据李泉华编著，2003年北京：机械工业出版社的《热处理实用技术》，pp94～96，和华磊，高尚宇，申兆亮，隋勇，“固体渗硼技术及其发展趋势”，《山东农机》，2001年，No.4，pp6～8，这种工艺存在处理温度较高、处理时间较长、渗剂利用率不太高、成本较高、渗硼后工件变形较大等不足之处。为了解决渗硼温度高、渗后工件变形大等问题，低温渗硼为人们所关注。低温渗硼是指在钢临界点(A1)以下温度的渗硼，特别是在钢回火温度下进行渗硼，不仅能改善渗层性能、降低能耗和减小工件变形，进一步扩大渗硼工艺的应用，而且还能简化工艺，有明显的经济效益，如中国发明专利，85105278“增压吸附式低温渗硼法”。但目前的低温渗硼在600～750℃之间进行，渗速慢，渗层浅，同时渗剂中供硼剂、活化剂含量非常高，例如李泉华编著，2003年北京：机械工业出版社的《热处理实用技术》，p94，及黎向锋，林祥丰，左敦稳，王珉，“45钢低温膏剂渗硼及耐蚀性研究”，《航空工艺技术》，1999年，No.3，p.29，p.30，p.45，指出硼铁含量20～65％，碳化硼含量高达40％、氟硼酸钾高达20％，所以处理成本很高。这是因为在较低温度时，渗剂依靠热分解产生活性硼原子的效率较低，只有靠增加供硼剂、活化剂的含量来产生足够的活性硼原子。
由于目前的固体粉末渗硼中活性硼原子的产生是由高温作用下渗剂发生热分解而来，其浓度与渗硼温度、渗剂中供硼剂和活化剂含量等有着直接关系，硼向零件表面的扩散也主要依赖于温度作用，向各处扩散运动的几率是一样的，所以渗硼时有相当多活性硼原子扩散渗入渗箱内壁和零件的非工作面，造成很大浪费，从而存在处理温度较高、处理时间较长、渗剂利用率不高、成本较高等不足之处。
发明内容
针对上述不足，本发明通过强化渗硼剂反应，促进供硼剂的分解，加速活性硼原子的有效扩散和吸收，可显著降低渗硼温度，加快渗速，从而减少渗剂中供硼剂、活化剂的含量，提高供硼剂的利用率。该法与现行粉末法渗硼相比，在550～900℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.4～2倍不等。
本发明克服了常规固体渗硼单纯依赖渗剂受热分解产生活性硼原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性硼原子的浓度与活性；板状电极与零件欲渗硼面相对平行而置，在热扩散的同时，直流电场又加快硼向零件(负极)工作面的定向扩散速度，相对减少了渗箱内壁与零件非工作面对硼原子的吸收，从而降低渗硼温度，加快渗速，提高供硼剂的利用率。
本发明所述工作方法，其特征为：在由供硼剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗硼剂中放置一个根据欲渗硼零件外形设计的板状电极，以该电极作为正极，以零件作为负极，两极相互平行，极间距离2～50mm，两极分别对应联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的专用直流电源的正、负极上，板状电极和零件与渗硼剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为550～1000℃，当炉温到设定值后，在两极间加上0～250伏之间的电压。
本发明所述装置，其特征在于由置于固体粉末渗硼剂中的板状电极、放置固体粉末渗硼剂的渗箱、电压在0～250伏特范围连续可调的专用直流电源系统构成，直流电源正负两极分别连接板状电极与欲渗硼零件。
本发明中所用板状电极厚度范围0.2～10mm，采用熔点在1200℃以上的金属材料制作。
板状电极形状与欲渗硼零件表面轮廓基本相仿。
板状电极与欲渗硼零件之间的距离2～50mm。
板状电极与欲渗硼零件之间相互平行放置。
本发明的主要优点在于克服了常规固体渗硼单纯依赖渗剂受热分解产生活性硼原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性硼原子的浓度与活性，在热扩散的同时，利用板状正极的特殊形状和放置位置，直流电场还加快硼向零件(负极)需渗硼面的定向扩散速度，相对减少了渗箱内壁与零件非工作面对硼原子的吸收，从而可以降低渗硼温度，加快渗速，提高供硼剂的利用率。所以具有如下有益效果：
1)在现行常规固体粉末渗硼相同的渗剂、温度和保温时间时，渗硼层厚度至少可增加0.4～2倍以上，供硼剂的利用率相应提高；因此，可以减少供硼剂、活化剂的含量(至少可减少50％)，或缩短保温时间，从而节约能源，降低生产成本；
2)能在560～650℃低温范围对尺寸精度要求较高的模具、工具和其它一些耐磨件进行有效的渗硼处理，提高它们的使用性能和寿命。
3)相对于现有技术，本发明装置简洁、操作方便。
附图说明
图1为直流电场加速固体粉末渗硼装置示意图
1.渗箱盖，2.渗箱，3.板状电极，4.零件，5.电压连续可调直流电源系统，6.粉末渗硼剂，7.导电引线，8.密封料
具体实施方式
本发明装置的示意图如图1所示。下面为本发明的具体实施例：
实施例1
被渗材料：45钢，T12钢；渗硼剂构成：供硼剂(碳化硼，含量2％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钠，2％)、疏松剂(木炭，2％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)；
在上述物质组成的固体粉末渗硼剂6中放置一个根据欲渗硼零件4外形设计的板状电极3，以该电极作为正极，以零件4作为负极，两极相互平行，板状正极和被渗试样间距离20mm，两极分别对应联接在一个电压在0～250伏特范围连续可调的专用直流电源系统5的正、负极上，板状电极3和零件4与粉末渗硼剂6一起由密封料8密封在带渗箱盖1的渗箱2中，将渗箱置于箱式炉中加热，渗硼温度：900℃，渗硼时间4小时，当炉温到设定值后，在两极间加上20伏特的电压。
试验结果：45钢获得105μm的渗硼层，其硬度在1200～1700HV0.1，T12钢获得65μm的渗硼层，其硬度在1400～1800HV0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的渗硼工艺方法，同样经900℃，4小时渗硼，两种钢材地渗硼层厚度分别只有60μm和35μm。
实施例2
被渗材料：45钢，T12钢；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量5％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％；氯化铵；2％)、疏松剂(木炭，5％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)；
渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：850℃，渗硼时间4小时，板状正极和被渗试样间距离15mm，在板状正极和被渗试样间施加30伏特的直流电场。试验结果：45钢获得137μm的渗硼层，其硬度在1200～1700HV0.1，T12钢获得95μm的渗硼层，其硬度在1400～1800HV0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的渗硼工艺方法，同样经850℃，4小时渗硼，两种钢材的渗硼层厚度分别只有65μm和37μm。
实施例3
被渗材料：45钢，T12钢；渗硼剂构成：供硼剂(碳化硼，含量5％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钠，5％；氯化铵：4％)、疏松剂(木炭，10％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)；
渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：600℃，渗硼时间6小时。板状正极和被渗试样间距离5mm，在板状正极和被渗试样间施加50伏特的直流电场。试验结果：45钢获得17μm的渗硼层，其硬度在1100～1500HV0.1，T12获得11μm的渗硼层，其硬度在1100～1500HV0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的渗硼工艺方法，同样经600℃，6小时渗硼，两种钢材上基本无渗硼层形成。
实施例4
被渗材料：45钢，T12钢；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量10％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％)、疏松剂(木炭，5％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。
渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：900℃，渗硼时间4小时。板状正极和被渗试样间距离50mm，在板状正极和被渗试样间施加10～30伏特的直流电场。试验结果：45钢获得210μm的渗硼层，其硬度在1200～1900HV0.1，T12获得135μm的渗硼层，其硬度在1200～1900HV0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的渗硼工艺方法，同样经900℃，4小时渗硼，两种钢材的渗硼层厚度分别只有100μm和65μm。
实施例5
被渗材料：45钢，T12钢；渗硼剂构成：供硼剂(硼铁，含量30％)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5％；氟硼酸钠，5％；氯化铵，5％)、疏松剂(活性炭，5％，木炭，5％)、填充剂和活化剂(碳化硅，余量)。
渗硼方法及装置同实施例1，渗硼温度：600℃，渗硼时间6小时。板状正极和被渗试样间距离25mm，在板状正极和被渗试样间施加50伏特的直流电场。试验结果：45钢获得30μm的渗硼层，其硬度在1100～1500HV0.1，T12获得20μm的渗硼层，其硬度在1100～1500HV0.1；而采用同样渗剂配方，采用现有的渗硼工艺方法，同样经600℃，6小时渗硼，两种钢材的渗硼层厚度均在10μm以下。