[發明專利]基于納米技術在低碳鋼板表面制備硼鐵合金化處理方法

無效

• 申請號: 201110254261.2
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102321862A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 鐘慶東;蔣繼波;張磊;羅檢;朱振宇
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C23C12/02
• 分類號: C23C12/02;B22F1/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及在低碳鋼表面作硼鐵合金化涂層的改性處理方法,?屬于金屬表面熱處理技術領域。

背景技術

納米技術是近年來發展起來的材料改性的新方法，已廣泛應用于納米材料的制備以及金屬表面改性。大約在20世紀90年代就有人開始在合金表面制備TiO₂、Al₂O₃和SiO₂涂層，并對它們的應用進行了廣泛的研究，被證實具有良好的抗高溫、耐腐蝕的能力。但單一組分或雙組分的氧化物涂層具有一定的局限性，為了更好的提高涂層的性能，人們開始嘗試制備多組分氧化物涂層，這樣會是薄膜更連續和致密，提高材料的耐腐蝕性和熱穩定性。納米科學是20世紀80年代末誕生并正在迅猛發展的前沿性、交叉性的高科技新興學科領域。納米尺寸的金屬顆粒由于具有小尺寸效應、量子尺子效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等特殊的性質，因而具有不同于相應塊體材料的光學、電磁學及化學性能，與常規材料相比，它在材料科學、信息科學、催化及生命科學等領域具有無可比擬的優越性，在實際應用和理論上都具有極大的研究價值。此外，隨著技術的不斷發展，納米粉體及納米薄膜的制備、研究及應用也越來越廣泛。

金屬表面合金化是在外界條件下表面生成鈍化膜或者是獲得與基體具有冶金結合的各種特殊的化合物層，使得材料的硬度、耐磨性、耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能提高，這是一種重要的提高金屬機械性能的方法。其中，一種很重要的表面合金化處理方法就是金屬表面硼合金化。因為，硼化物層具有硬度高(Fe₂B為1290-1680HV，FeB為1890-?2340HV)、耐蝕性、耐磨性好，抗高溫氧化性及紅硬性優良等優點。但由于目前滲硼處理的溫度較高，滲硼處理后零件的變形較大以及滲層較薄、滲層脆性較大等原因，限制了滲硼技術的推廣應用，為此國內外的專家學者在此方面做了大量的探索研究，如采取滲硼后獲得單相的Fe₂B或滲硼后進行真空擴散而得到單相Fe₂B滲硼的共晶化處理及共滲與復合滲等工藝來降低滲硼層的脆性，目前的研究方向主要是降低滲硼溫度,多元復合滲硼改善滲層顯微組織?、顯微硬度?、脆性和耐磨性,以及滲硼共晶化使滲層與基體呈冶金結合，從而改善以往的滲硼層脆性大,容易剝落等問題。

基于前人的研究成果，本發明綜合了金屬涂層的表面處理技術、納米制備方法及鋼板表面合金化等熱點研究領域。先通過機械研磨法和超聲處理等技術相結合制備納米涂料，在低碳鋼表面噴涂富硼納米涂料，并在H₂還原氣氛下涂層中納米Fe₂O₃被還原生成新生態的Fe原子，其具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成Fe₂B相。Fe₂B硬度高，韌性好，與基板膨脹系數小等優點。一部分還原出的金屬Fe原子溶入基體中，增強了硼合金化層與基體的結合力，均勻性也得到大幅度提高，從而對低碳鋼表面進行了改性。

發明內容

本發明提出了表面納米硼鐵涂層合金化（B-Fe）結構的制備方法，它不僅有效地增強了低碳鋼板的耐腐蝕性能，表面顯微硬度等性能，而且還有效地解決了傳統滲硼中存在的問題。

本發明一種在低碳鋼板表面納米硼鐵合金化涂層處理方法，其特征在于具有以下的過程和步驟：

(1)將欲處理的低碳鋼板經無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，干燥后備用；

(2)納米硼鐵涂料的制備：

采用機械球磨法，將市售FeB粉與分析純Fe₂O₃按一定摩爾比均勻混合后放入球磨罐中,?加入一定量的EtOH控制一定的液固比，球磨數小時。制備工藝參數如下：

FeB：Fe₂O₃=?1:?(1~4)（摩爾比）；

FeB/Fe₂O₃：EtOH=?15:80?（質量比）；

球磨時間=?20~30h；最終制得納米硼鐵涂料；

?(3)將上述制得的納米硼鐵涂料均勻地噴涂于處理好的低碳鋼表面，自然干燥后，在管式電阻爐中氫氣氛圍下進行熱處理，其工藝參數如下：

溫度：700~1000℃；

升溫梯度：10℃/min；

?熱處理時間：2~8h；

降溫梯度：爐冷；

H₂氣流量為：150~200mL/min。

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