| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411475526.5 | 申请日 | 2024-10-22 |
| 公开(公告)号 | CN119351938A | 公开(公告)日 | 2025-01-24 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 陈汪林; 张立业; 孟显娜; 李苏洋; | 第一发明人 | 陈汪林 |
| 权利人 | 广东工业大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 广东工业大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：广东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：广东省广州市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：广东省广州市番禺区广州大学城外环西路100号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：510006 |
| 主IPC国际分类 | C23C8/26 | 所有IPC国际分类 | C23C8/26 ; C23C10/22 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京盛询知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 郝雨; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种低 碳 钢 盐浴渗 钒 的方法和应用，属于涂层技术领域。本发明通过先对低 碳钢 进行渗氮处理，获得一定厚度的渗氮层，然后采用NaCl、CaCl2、NaF、V2O5和Al粉制备熔盐，利用Al与V2O5发生置换反应，获得钒活性 原子 ，最后将渗氮低碳钢浸入熔盐中进行渗钒处理，获得一定厚度的渗钒层，从而大幅度提高了低碳钢的硬度和 耐磨性 。并且，本发明制备的渗氮渗钒低碳钢的硬度介于2700～3360HV之间，磨损率介于0.1～1.5×10‑15m3/Nm，远高于传统渗钒工艺制得的渗钒层低碳钢的硬度和耐磨性。 | ||
| 权利要求 | 1.一种低碳钢盐浴渗钒的方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种低碳钢盐浴渗钒的方法和应用技术领域背景技术[0002] 低碳钢因优异的力学性能已经被广泛用于各种轴类、齿轮、滑块等产品。然而，低碳钢硬度低，服役时面临严重的磨损问题，容易导致提前失效。其中，渗氮和渗碳是提高低碳钢表面耐磨性的主流手段，但现有工艺制备的渗氮层和渗碳层组织硬度依然很低，难以满足较重载荷下的摩擦磨损性能要求，极大限制了低碳钢的工业应用。除此之外，物理气相沉积法制备的涂层硬度高，且具有耐磨和耐蚀的优点，但其与低碳钢基体硬度差异极大，导致涂层结合力低，工业应用价值差。 [0003] 此外，现有渗钒技术虽已被广泛用于提高冷作模具钢的表面硬度和耐磨性，但传统渗钒工艺要求钢的含碳量必须＞0.6wt.％，如SKD11、DC53、Cr12MoV等系列冷作模具钢，其含碳量通常为1.0～1.3wt.％。对于如何利用渗钒技术提高低碳钢的表面硬度和耐磨性目前尚没有相关报道。 [0004] 因此，亟需一种能够提高低碳钢表面硬度和耐磨性的渗钒技术以扩大低碳钢的工业应用价值。 发明内容[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种低碳钢盐浴渗钒的方法和应用。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案： [0007] 本发明提供了一种低碳钢盐浴渗钒的方法，包括以下步骤： [0008] S1.对低碳钢进行渗氮处理，得到渗氮低碳钢； [0009] S2.将NaCl和CaCl2混合后进行加热，得到基盐；然后向所述基盐加入NaF，静置后加入V2O5和Al粉，得到熔盐； [0010] S3.将步骤S1得到的渗氮低碳钢浸入步骤S2得到的熔盐中进行渗钒处理，得到渗氮渗钒低碳钢； [0011] 步骤S1和步骤S2没有先后顺序。 [0012] 优选的，步骤S1中，所述低碳钢的碳含量＜0.5wt.％。 [0014] 优选的，步骤S2中，所述基盐中NaCl的质量含量为20～80％。 [0015] 优选的，步骤S2中，所述加热的温度为500～1000℃，加热的保温时间为1～20h。 [0016] 优选的，步骤S2中，所述NaF的加入量为基盐质量的1～10％。 [0017] 优选的，步骤S2中，所述V2O5的加入量为基盐质量的10～30％，Al粉的加入量为基盐质量的30～100％，V2O5中的V与Al粉中的Al的原子比为(0.1～0.8)∶1。 [0018] 优选的，步骤S3中，所述渗钒处理的温度为500～1000℃，渗钒处理的保温时间为1～20h，渗钒处理的冷却方式为水冷。 [0019] 本发明提供了上述技术方案所述的低碳钢盐浴渗钒的方法得到的渗钒层。 [0021] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果： [0022] 本发明通过先对低碳钢进行渗氮处理，获得一定厚度的渗氮层，然后采用NaCl、CaCl2、NaF、V2O5和Al粉制备熔盐，利用Al与V2O5发生置换反应，获得钒活性原子，最后将渗氮低碳钢浸入熔盐中进行渗钒处理，获得一定厚度的渗钒层，从而大幅度提高了低碳钢的硬度和耐磨性。 [0025] 图1为本发明实施例1制备的渗氮渗钒低碳钢的渗钒层横界面组织的SEM图。 具体实施方式[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0027] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0028] 本发明实施例提供了一种低碳钢盐浴渗钒的方法，包括以下步骤： [0029] S1.对低碳钢进行渗氮处理，得到渗氮低碳钢； [0030] S2.将NaCl和CaCl2混合后进行加热，得到基盐；然后向所述基盐加入NaF，静置后加入V2O5和Al粉，得到熔盐； [0031] S3.将步骤S1得到的渗氮低碳钢浸入步骤S2得到的熔盐中进行渗钒处理，得到渗氮渗钒低碳钢； [0032] 步骤S1和步骤S2没有先后顺序。 [0033] 本发明通过先对低碳钢进行渗氮处理，获得一定厚度的渗氮层，然后采用NaCl、CaCl2、NaF、V2O5和Al粉制备熔盐，利用Al与V2O5发生置换反应，获得钒活性原子，最后将渗氮低碳钢浸入熔盐中进行渗钒处理，获得一定厚度的渗钒层，从而大幅度提高了低碳钢的硬度和耐磨性。 [0034] 在优选的实施例中，步骤S1中，所述低碳钢的碳含量＜0.5wt.％，优选为≤0.45wt.％。 [0035] 在优选的实施例中，步骤S1中，所述渗氮处理的温度为400～700℃，优选为450～600℃；所述渗氮处理的时间为1～20h，优选为2～10h；所述气体流量为200～600sccm。本发明通过渗氮处理在低碳钢表面生成一层渗氮层，渗氮层的存在有利于提高低碳钢的硬度和耐磨性。本发明将渗氮处理的工艺参数控制在上述范围，有利于获得致密的渗氮层。 [0036] 在优选的实施例中，步骤S1中，所述渗氮处理的压强为20～300Pa，基体偏压为‑300～‑600V，占空比为50～80％；所述渗氮处理过程中通入的气体为氮气和氩气，所述氮气和氩气的流量比为(3～4)∶1。 [0037] 在优选的实施例中，步骤S1所得渗氮低碳钢中渗氮层的厚度约为2～40μm。 [0038] 在优选的实施例中，步骤S2中，所述基盐中NaCl的质量含量为20～80％。本发明中的NaCl和CaCl2作为基盐，发挥熔剂的作用。 [0039] 在优选的实施例中，步骤S2中，所述加热的温度为500～1000℃，优选为600～1000℃，加热的保温时间为1～20h，优选为2～20h。 [0040] 在优选的实施例中，步骤S2中，所述NaF的加入量为基盐质量的1～10％。本发明中的NaF发挥改善熔体流动性的作用。 [0041] 在优选的实施例中，步骤S2中，所述静置的时间为10～60min。 [0042] 在优选的实施例中，步骤S2中，所述V2O5的加入量为基盐质量的10～30％，Al粉的加入量为基盐质量的30～100％，V2O5中的V与Al粉中的Al的原子比为(0.1～0.8)∶1，优选为(0.2～0.5)∶1。本发明将V2O5和Al粉的加入量以及V2O5与Al粉的原子比控制在上述范围，有利于获得致密的渗钒层，从而大幅度提高低碳钢的硬度和耐磨性。 [0043] 在优选的实施例中，步骤S3中，所述渗钒处理的温度为500～1000℃，优选为600～1000℃；所述渗钒处理的保温时间为1～20h，优选为2～10h；所述渗钒处理的冷却方式为水冷。本发明中渗钒处理的温度过高，渗钒层组织疏松且硬度低；保温时间过长，渗层生长速率慢，能耗大。 [0044] 在优选的实施例中，步骤S3所得渗氮渗钒低碳钢中渗钒层的厚度约为5～52μm。 [0045] 本发明提供了上述技术方案所述的低碳钢盐浴渗钒的方法得到的渗钒层。 [0046] 本发明还提供了上述技术方案所述的渗钒层在模具、燃料电池双极板或医疗器械中的应用。 [0047] 本发明实施例中室温指的是“25±2℃”。 [0048] 如无特殊说明，本发明实施例中的原料均通过市售途径购买获得。 [0049] 实施例1 [0050] 一种低碳钢盐浴渗钒的方法，具体步骤如下： [0051] S1.将碳含量约为0.2wt.％的20CrMnTi钢抛光至粗糙度≤0.1μm，再依次用丙酮和无水乙醇超声清洗30min，并用气枪吹干，然后放入等离子氮化炉内，将炉内温度设置为550℃，真空度抽至20Pa，通入氮气与氩气，气体流量为300sccm，氮气与氩气流量比控制在3∶1，基体偏压为‑500V，占空比为70％，渗氮5h，得到渗氮低碳钢； [0052] S2.将NaCl和CaCl2按照1∶2的质量比加入坩埚内，加热至600℃，保温2h，得到基盐(基盐中NaCl的质量含量为33.3％，CaCl2的质量含量为66.7％)；随后加入基盐质量5％的NaF，静置10min，然后加入基盐质量20％的V2O5和基盐质量60％的Al粉，V2O5中的V与Al粉中的Al的原子比为0.33∶1，将温度调至700℃，得到熔盐； [0053] S3.将步骤S1得到的渗氮低碳钢浸入步骤S2得到的温度为700℃的熔盐中，保温5h，取出后淬入水中，得到渗氮渗钒低碳钢。 [0054] 图1为实施例1制备的渗氮渗钒低碳钢的渗钒层横界面组织的SEM图。由图1可以看出，钢表面形成一定厚度的渗钒层，渗钒层厚度约20μm。 [0055] 实施例2～8 [0056] 与实施例1的不同之处在于，渗氮温度、渗氮时间、V2O5和Al粉的质量比、渗钒温度或渗钒时间不同，其他工艺参数和步骤同实施例1，与实施例1的不同之处见表1。 [0057] 实施例9 [0058] 与实施例1的不同之处在于，将步骤S1中的20CrMnTi钢替换为08F钢，08F钢的碳含量为0.08wt.％，其他步骤和工艺参数同实施例1。 [0059] 实施例10 [0060] 与实施例1的不同之处在于，将步骤S1中的20CrMnTi钢替换为45钢，45钢的碳含量为0.45wt.％，其他步骤和工艺参数同实施例1。 [0061] 表1实施例1～10中渗氮处理和渗钒处理的工艺参数 [0062] [0063] 对比例1～3 [0064] 一种渗钒低碳钢的制备方法，具体步骤如下： [0065] S1.将碳含量约为0.2wt.％的20CrMnTi(对比例1)、碳含量为0.08wt.％的08F钢(对比例2)和碳含量为0.45wt.％的45钢(对比例3)分别抛光至粗糙度≤0.1μm，再依次用丙酮和无水乙醇超声清洗30min，并用气枪吹干，得到预处理低碳钢； [0066] S2.将NaCl和CaCl2按照1∶2的质量比加入坩埚内，加热至600℃，保温2h，得到基盐；随后加入基盐质量5％的NaF，静置10min，然后加入基盐质量20％的V2O5和基盐质量60％的Al粉，V2O5中的V与Al粉中的Al的原子比为0.33∶1，将温度调至700℃，得到熔盐； [0067] S3.将步骤S1得到的预处理低碳钢浸入步骤S2得到的温度为950℃的熔盐中，保温5h，取出后淬入水中，得到渗钒低碳钢。 [0068] 对比例4 [0069] 一种传统渗钒工艺制备渗钒低碳钢的方法，具体步骤如下： [0070] S1.将碳含量约为0.2wt.％的20CrMnTi钢抛光至粗糙度≤0.1μm，再依次用丙酮和无水乙醇超声清洗30min，并用气枪吹干； [0071] S2.将步骤S1处理后的20CrMnTi钢浸入传统渗钒熔盐中，在950℃下保温5h，取出后淬入水中，得到渗钒低碳钢；其中，传统渗钒熔盐的组成为：75.6wt.％的硼砂、8.4wt.％的BaCl2、10wt.％的V2O5和6wt.％的Al粉。 [0072] 性能测试 [0073] 显微硬度测试：采用显微硬度计测试实施例和对比例制备的渗钒低碳钢的涂层硬度，测试载荷为100g。 [0074] 耐磨性测试：采用室温摩擦磨损试验机，测试实施例和对比例制备的渗钒低碳钢的涂层磨损率。磨损率越小，其耐磨性越好。 [0075] 实施例1～10和对比例1～4的涂层硬度和涂层磨损率见表2。 [0076] 表2实施例1～10和对比例1～4的涂层性能 [0077] [0078] [0079] 从表2可以看出，实施例1～10制备的渗氮渗钒低碳钢的硬度介于2700～3360HV之‑15 3间，磨损率介于0.1～1.5×10 m/Nm，其硬度和耐磨性远高于传统渗钒工艺制得的渗钒层低碳钢的硬度和耐磨性，成功实现了低碳钢的渗钒处理。 [0080] 以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 |
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