热扩散渗钒的过程中硼砂盐中的成分变化

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热扩散渗钒的过程中硼砂盐中的成分变化WANGHongfu1,WANGHuachang2,KOUBingtou1,CHANGZheng2,WANGJunyuan1（1.机械工程及自动化，中国中北大学，太原030051，中国;2.材料科学与工程，武汉理工大学，武汉430070，中国）摘要：在950摄氏度，通过TD处理，五氧化二钒，硼砂，碳化硼和氟化钠被用于在Cr12钢表面生长碳化钒涂层。碳化钒涂层（VC）可以延长作为冲孔模的Cr12钢的使用寿命。碳化钒涂层生长动力学被提出并通过与实验结果的数学模型进行比较验证。涂层的厚度通过SEM说明。涂层和残余物的化学成分通过X射线衍射（XRD）和X射线能量色散谱（EDS）进行了测试。在硼砂盐浴时加入少量的FeSiRe23，以提高厚度。X射线衍射的分析结果显示，FeSiRe23作为还原剂和催化剂增加钒硬质合金涂层的深度。关键词：热扩散;硼砂盐浴;渗钒;FeSiRe231.介绍通过TD（热扩散）技术盐浴渗钒是一个通过TD方法盐浴穿透金属技术的应用，该方法换句话说就是在高温下将金属浸透在包含活性金属原子（砂盐浴或中性盐浴例如氯化钡和氯化钠）的熔融盐浴中一段时间。在材料的表面上，形成金属碳化物涂层的厚度范围从几微米至数十微米。这个技术是成熟的，稳定的，具有良好效果并且低成本的。此外，所形成的涂层在室温下是非常稳定的，并具有优异的耐磨损能力，在冷作模具及部件的表面强化上具有良好的促进效果。然而，这种技术具有一定的局限性，例如，盐浴的使用寿命短，盐浴产生的过度腐蚀和表面光洁度差，从而限制了其在国内的应用【1,3】。为了解决这些问题，第一次用有关TD方法的理论和一些以前的经验进行推断和分析。然后对影响涂料的性能的关键因素，例如盐浴和模具基板的选择进行了调查。通过选择硼砂作为 基本盐和考虑盐浴的涂覆能力和被选择的表面光洁剂，氧化剂，还原剂和激活剂的清洁性能。结果表明，当渗钒剂是五氧化二钒，还原剂是碳化硼，活化剂是氟化钠，所述盐浴具有更好的综合性能【4,6】。在盐浴试验的基础上对TD过程中盐浴含量的变化，进行了讨论和分析。结果表明，在TD过程中盐浴的原始含量都发生了变化。在六次TD过程后，盐浴失去了活性，因为他的含量发生了变化。加入20％的混合盐后，盐浴再次起作用。并且对工件表面的残余盐的清洁性也进行分析。此外，涂层的组成和结构通过X射线衍射和EDS进行分析和确认。涂层的金相和硬度分别用SEM和显微硬度仪进行分析。结果表明，通过此技术形成的涂层是致密，均匀和完整的，它具有非常高的显微硬度。当这一技术被用于冷作模具和零件的表面强化上，具有显著的效果。此外，这种技术有许多优点，如节能，无污染，因此它有很大的应用价值。因此，此实验是用于测试热扩散渗钒过程中的盐浴组成变化。1.实验2.1．材料Cr12在实验中作基材。热扩散盐由76%Na2B4O7,10%V2O5,5%B4C和9%NaF组成。基材分为六分，分别用在六个独立的试验。Cr12的化学组成列于表一。1.2.实验方法为了揭示TD处理中盐浴组合物的变化，实验的基本步骤和过程示于图1。它包括加工-抛光-脱脂-预热-熔覆-热处理（淬火和回火）-清洁。 图一.TD流程图加工：机械加工得到工件。抛光：TD过程几乎不改变工件表面粗糙度。碳化物层具有高的硬度，所以工件的粗糙表面应该在TD过程之前进行抛光处理。所有的划痕和沟槽必须进行抛光处理。脱脂：在机械加工和抛光后，有的矿物油和其他物质可能保留在工件的表面上。这些油影响工件的表面活性并且减少钒原子在工件的表面上的附着力。金属阻隔剂（用60-80℃的水）用于清洗工件。然后，用5％盐酸与酒精洗涤。最后吹干工件。预热：预热工件到100℃。熔覆：将工件放入混合融化盐，并保持足够的时间（960℃）来获得涂层。随后的热处理（淬火和回火）：工件必须在TD后淬火处理，以提供基板更好的性质。可以选择油冷。也可以选择水冷，以确保基板被硬化，然后回火。清洗：TD处理后，一些盐残留工件的表面上，它应该被清洗。硼砂容易在沸水和甘油中溶解，从而工件可以被放入含有甘油的沸水中数次。残留盐也可以在乙醇和丙酮中用超声波清洗的方法清洗。2.3性能测试用于在Cr12钢上制备碳化钒的混合盐要使用六次。样品活工件应标明样品1#，样品2#…样品6#。在每次扩散后，残余的盐也应标好盐1#，盐2#…盐6#。TD处理后，要观察Cr12钢的涂膜，涂层通过冶金显微镜或SEM测试。涂覆样品通过四个 步骤来观察截面：电极丝切割，抛光，精加工和腐蚀。然后，用冶金照片来分析涂层。涂层的显微硬度通过一台HXD-1000的显微硬度计来测量（载荷25-1000克）。涂层和残余的化学成分通过XRD和EDS进行测定。1.结果与讨论3.1．VC涂层和显微硬度六次热扩散后，在Cr12钢上生成了碳化钒涂层。为了验证结果，六个样品的显微硬度，涂层厚度和质量示于表2中。如表2所示，可以得出的结论是，通过五次TD，均匀致密的碳化钒涂层制备成功。并且在最后一次，涂层消失。表一.Cr12样品的化学组成图二.样品1的涂层形态表二.六次TD过程的结果 SEM图像是样品1的涂层形态，如图2所示。从图2中可以看出，涂层是非常均匀的，紧凑的。在TD涂层与基体之间有一个明显的界面。EDS是用来分析试样1＃的元素类型，如图3所示。可以得出的结论是，只有钒和碳元素在该涂层的表面上，这是高纯度的碳化钒。图3.样品1#涂层的EDS分析3.2．TD处理过程中盐浴成分的变化根据这些一系列的实验，TD混合盐只使用5次。VC涂层不能在第六次形成。所以应该分析盐浴成分的变化。此混合盐由75％的Na2B4O7，11％的V2O5，5％的B4C，和9％的NaF。每个有有一个熔点：Na2B4O7-740℃，V2O5-690℃，B4C-2450℃，NaF-990摄氏度。TD过程中，可能发生在熔盐里的化学反应如下：为了验证反应和揭示成分的变化，样品盐1＃，盐2＃...盐6＃分别通过XRD测试。混合融盐样品研磨成细小的颗粒。X射线衍射扫描角是10-80，为0.02的步长。样品盐1＃的分析示于图4。 根据图4中的峰值，可知有很多硼砂，氟化钠，五氧化二钒，和碳化硼。由于硼砂加热过程中，它发生相位变化。其中一部分成为玻璃状，一部分α晶体转变成β晶体。在图4所示的衍射峰是由β形成的。三氧化二硼和氧化钠是无定形的，因此在图4中没有衍射峰。为了清楚地揭示TD过程中盐浴成分的变化，选择样品盐1＃，盐3＃，4盐＃，盐5＃的XRD分析。我们把数据放入相同的坐标系（扫描角和步骤是相同的），以找到TD过程中盐变化的规律。这些XRD分析示于图5。图4.盐样品1#的XRD分析图5.所有XRD分析的组合从图5可知，第一个，第二个，第三个，第四个和第五个盐样品的衍射峰位置都是相同的，但是峰值是不同的。盐样品1#的衍射峰数据是最大的。随着反应的进行，盐样品5#的一些峰趋于消失，这表明在TD过程中熔融盐的成分改变了。总的趋势是，原来的添加剂减少并趋于消失。混合盐彼此之间会反应，钒元素被消耗以形成碳化物涂层。 如图5和图6所示，五氧化二钒和氟化钠出现在整个的TD的过程中，但总量随着TD的进行而减少。从图5和图6可以判断，在盐样品4#中，相对于其他成分，五氧化二钒的衍射峰值是最大的值。五氧化二钒首先和碳化硼反应，随着反应在空气中进行，钒元素生成五氧化二钒和氧气。氟化钠在高温下溶解在熔融硼砂中。渐渐地，随着反应进行氟化钠会被蒸发，所以氟化钠的总量会逐渐降低。在第五次TD处理前，碳化硼已经被消耗了，这导致Cr12钢样品6#上没有涂层。图6.盐样品6#的XRD分析根据前几次混合盐的变化，就可以得知，Cr12钢样品6#涂覆失败的根本原因是碳化硼耗尽。没有碳化硼，钒元素的氧化物将无法还原成钒元素。此外，因为氟化钠的挥发，其量逐渐减少，导致熔融盐更加粘稠3.3.盐浴的活化五次TD处理后，试样不能被涂覆。为了改善混合盐，加入5％的稀土硅粉末（内蒙古生产稀土，FeSiRe23，38.1％硅，21％镧和铈）。选择其他五组Cr12试样涂覆。涂层的显微硬度和表面质量示于表3。因为与FeSiRe23还原反应，Cr12试样被涂覆变为如表3所示的，均匀的和紧凑的了。熔融盐的变化相比于用FeSiRe23之前更加合理了。 表三.FeSiRe23处理后的涂层的显微硬度和表面质量1.结论根据实验，碳化钒涂层通过TD处理制备。X射线衍射，EDS和SEM分别用于测试涂层的化学成分和表面质量。表面涂层的强度通过显微硬度计进行了测试。总之，可以归纳为如下：a)只有当涂层表面有钒和碳元素时，才是高纯度的碳化钒。b)通过5次TD处理，均匀致密的碳化钒涂层制备成功。涂层在第六次TD处理时消失。c)钒元素被消耗，形成碳化物涂层。在Cr12样品中涂覆失败的根本原因是碳化硼耗尽。d)经FeSiRe23还原反应，Cr12样品被涂覆的均匀并且紧凑。2.参考文献[1]WangJunyuan,WangHongfu,WangHuachang,Qupeng.RelationshipbetweentheCorrosionandCr-NiContentofStainlessSteelinBoraxBath[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.,2011,26:1137-1139[2]WangHongfu,WangHuachang,PanChenggan.VanadiumCarbideCoatingGrowthonDieSteelSubstrateinBoraxSaltBath[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.,2010,25:600-603[3]WangHuanchang,WangHongfu,TangYuxi,VariationinTemperatureDistributionofDiefromUnsteadytoSteadyStatesinHot-ForgingofCarFront-Wheel-Hub[J].SteelResearchInt.,2010,81:326-329 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