钢硼铝共渗材料研究

毕业论文 (设计 )题 目: T10 钢硼铝共渗新工艺的研究指导老师: 学生姓名： 所属院系： 专 业： 班 级： 完成日期： 2006-6-12I毕业论文（设计）任务书班 级： 材料 012 班 姓 名： 达吾提 论文（设计）题目： T10 钢硼铝共渗新工艺的研究 专 题： 论文（设计）来源： 自拟题目 要 求 完 成 的 内 容 ：1、通过正交试验制定共渗工艺 2、加热温度和保温时间对共渗层的影响 3、分析硼铝共渗机理 4、分析活化剂在硼铝共渗中的作用 5、分析渗层中铝的扩散机制 6、分析稀土在硼铝共渗中的作用 7、撰写图文并茂的研究论文 发题日期：2006 年 4 月 3 日 完成日期 2006 年 6 月 12 日实习实训单位： 地点： 论文页数： 14 页； 图纸张数： 指 导 教 师 ： 教研室主任： 院 长 （系 主 任 ）： II摘 要在本研究中对模具钢进行硼铝共渗，研究了硼铝共渗工艺，不同工艺参数对渗层厚度、金相组织及性能的影响。在试验研究中采用了正交试验分析法，结果表明,对硼铝共渗影响的主要因素是加热温度和保温时间。在本研究中通过调整工艺参数，控制了共渗层的组织结构，从而获得所需要的耐磨性、抗高温氧化性和低脆性。论文中讨论了硼铝共渗原理、渗层中铝的扩散机制、稀土和活化剂的作用。稀土的渗入也加速了硼原子的扩散速度，增加了铝原子的渗入量。关键词：硼铝共渗；稀土；共渗层III目 录前 言 .11. 国内外现状 .22. 试验方法及条件 .32.1 试验材料与设备 .32.2 固体硼铝共渗的方法 .32.3 实验方案 .33. 试验结果与分析 .43.1 极差分析 .43.2 加热温度对渗层厚度的影响 .63.3 保温时间对渗层厚度的影响 .73.4 渗层显微硬度分布 .74讨论 .84.1 硼铝共渗原理 .84.2 固态硼铝共渗介质的反应 .94.2.1 渗 B 介质反应 .94.2.2 渗 A1 介质反应 .94.3 渗层组织与相结构 .94.4 渗层中铝的扩散机制 .104.5 铝和碳的作用 .114.6 稀土元素的作用 .114.7 活化剂的作用 .125. 结论 .12致谢 .13参考文献 .错误！未定义书签。冲压成型中板料的受力状态的分析1百手起驾 整理为您前 言本论文的研究意义：模具质量直接影响其寿命，稀土硼铝共渗技术及其热处理在模具上的应用，为提高模具使用寿命开辟了有效途径。用于金属材料表面改性的离子注如技术，如钢的离子氮化钢的固体渗硼及硼铝共渗，以其特有的性能在模具工业生产中获得了广泛的应用，但随着研究的不断深入，人们发现这些表面强化方法各有其不足之处，有关研究报道，钢的稀土硼铝共渗层具有高的耐磨性、抗高温氧化性和抗热疲劳性能，较低的脆性，因而引起人们的重视。实践中，人们已认识到硼与其它元素共渗，比单一渗硼能获得更好的使用性能，因此，稀土硼铝共渗用于模具表面强化，特别是能够耐高温疲劳和抗氧化的共渗工艺的研究已引起人们的重视，并逐渐用于生产。本研究通过对 T8钢进行硼铝共渗，探讨和对比淬火法，固体渗硼法的耐磨和抗氧化性，期望在模具的工作表面上形成一层高性能的共渗层，从而达到提高模具使用寿命的目的。在本题目中将对模具钢进行硼铝共渗，研究硼铝共渗新工艺，不同工艺参数对渗层厚度和组组结构的影响，通过调整工艺参数，控制共渗层的组织结构，拟获得所需要的耐磨性、耐蚀性和耐热性。研究目标和研究内容：本题目将渗层中铝的扩散机制、硼铝共渗原理、稀土元素和活化剂作用等方面进行深入的理论研究。本文以 T8 钢为例,采用固体粉末法，对硼铝共渗层的工艺，组织和性能进行研究，并对 Al 在共渗层中的作用进行探讨。为降低共渗层的脆性、提高共渗层的耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗氧化性提供可靠的理论保证。拟解决的关键问题：找出最佳的共渗剂成分和共渗工艺。技术路线：1.共渗剂成分的确定,并分析共渗剂对组织和性能的影响；2.共渗工艺的确定，并分析温度和时间对渗层厚度的影响；3.渗层显微硬度的测定；4.对硼铝共渗原理、渗层中铝的扩散、稀土元素和活化剂的作用等方面进行理论研究。冲压成型中板料的受力状态的分析2百手起驾 整理为您1. 国内外现状渗硼工艺自诞生至今已有 100 多年的历史，此间国内外的同行们创造发明了许多渗硼方法（如固体粉末渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼等）和工艺，其中因固体渗硼具有工艺操作方便、使用设备简单、质量易控制等优点，渗硼层硬度高、耐磨性佳、红硬性好，且有一定耐蚀性，虽已在某些冷作模具上获得较好效果，但渗层脆、致密性差，因而制约了其应用 1。渗硼层的脆性，除其本身结构因素外，主要取决于硼化物与体间的比容差。渗硼层致密性一般较差，齿状硼化物间疏松明显，导致抗氧化能力降低，不适应热作模具的服役条件.因此，国内外已有人针对这一情况开展了 B-Al 共渗研究，取得了一些重要结果 2。钢的硼铝共渗层具有高的耐磨性和抗高温氧化性、较低的脆性,因而已引起人们的重视,并应用于生产。作者 3通过扫描电镜、能谱分析、X 射线衍射分析等方法，对 4Cr5MoSiV1钢硼铝稀土共渗层组织与性能进行了研究。研究结果是共渗层主要由 FeB 相构成，没有发现(Fe，Al)B 或(Fe，Al) 2B 物相；共渗层组织连续致密，具有很高的显微硬度和热硬性。唐明华等 4研究了 3Cr2W8V 钢稀土硼铝共渗工艺和性能，通过稀土硼铝共渗在模具的工作带上形成一层高性能的共渗层，渗层表面硬度可达 18002000HV，取得良好效果。作者 5在文中，研究了渗硼温度、供硼剂种类、活化剂种类及其含量对渗硼层厚度和质量的影响，并对硼砂型渗硼剂中加入硅铁作为还原剂对渗硼效果的影响也进行了研究。结果：温度与供硼剂种类是 45 钢渗硼的主要影响因素；45 钢渗硼的最优工艺方案为：供硼剂选用B4C+稀土，活化剂为 Na3AlF6，活化剂含量为 20%30%，温度为 950；以硼砂为供硼剂的渗硼剂中加入硅铁粉能提高渗硼层的厚度及渗硼质量。吉泽升 6在稀土对硼铝共渗渗层相组成的影响的研究中，通过 X 射线衍射，透射电镜衍射及能谱分析表明，共渗初期渗层主要由 Fe2B 相组成，加稀土后检测到了(Re0.65，Fe0.35) 23B6化合物；共渗 4h 渗层主要由 Fe2B 相+少量 FeB 相级成，在加入稀土后的硼铝共渗层中，检测到了稀土化合物(Fe0.8,Re0.2) 6B，发现A2Fe 的晶面间距有所增大。对硼化物的形成进行了分析，由于 Al，C，稀土等化合物的形成阻碍了位错的运动，稀土的晶界强化，位错强化和固溶强化是加入稀土后硼铝共渗层性能提高的主要原因。孙永昌等 7研究了 ReMg 合金对固体粉末法硼铬铝共渗层成分、组织和性能的影响。发现随着 ReMg 合金加入量的增加。渗层中 Al2O3的量不断增多，当 ReMg 合金加入量为 5%时，渗中出现连续致密分布的 Al2O3黑区组织，对此进行了性能测试和机理探讨。杨凯军等 8采用正交试验方法优化 4Cr13 钢渗硼的渗硼剂和工艺参数，获得了良好的效果。优化后渗硼层组织致密，表面稍有疏松，硼化物显微硬度压痕完整，降低了渗层脆性；硼化物层主要由 Fe2B、(Fe,Cr) 2B 相和少量的 FeB 相组成，过渡区形成 Fe3(C,B)、Fe 4N 相及 Cr 的碳化物，不存在软带现象，有效地强化了对硼化物层的支撑作用，有利于硼化物层与基体的结合；渗硼试样的耐磨性明显高于直接淬火样。项东等 9通过对钢单渗硼层和稀土硼铬共渗层的硬度脆性和磨损特性进行研究，结果表明，稀土硼铬共渗层在保留了单渗硼层高硬度的同时，明显降低了脆性(约为 42.7%)，使共渗层的粘着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损性能都得到较大的提高，有较强的实用性。耿香月等 10研究了共渗层厚度、结构及性能的机理，结果他们获得的两种渗层的耐磨、耐氧化及耐蚀性高，优于单元渗硼。冲压成型中板料的受力状态的分析3百手起驾 整理为您2. 试验方法及条件2.1 试验材料与设备本实验采用 T10 钢作为实验对象，自圆棒材中切取尺寸为 16mm25mm 的金相组织观察试样。使用了现成的供硼剂，其中包括 Na3AlF6 、CaF 等活化剂，向渗硼剂中加入一定量的纯铝和稀土作为共渗剂。根据理论分析，确定硼铝共渗温度、保温时间、纯铝和稀土含量为主要工艺因素。选用 L9(34)正交表，表头设计见表 1。将按比例配置好的渗硼剂包裹试件，将试件及渗硼剂放入坩埚内，用彭润泥土进行密封然后放入 SX-10-13 箱式电阻炉中，在 750950的温度范围内，加热保温 24 小时，取出坩埚，空冷至室温。用砂轮将试样磨平，然后用抛光纸和抛光机进行抛光。使用 HX1 型显微硬度计和 hxd-1000tb 型视频维氏硬度机对 T8 钢共渗试样进行显微硬度测试，用 XJZ-6A 型金相图象分析仪进行金相组织的拍照，并对共渗层进行化学成分微区分析。2.2 固体硼铝共渗的方法本实验中我们采用填充法。填充法是将工件埋入填充有粉末或粒状渗硼剂的渗箱里，加盖密封后进行加热硼铝共渗，粉末共渗剂由渗硼剂、渗铝剂、活化剂、填充剂四部分组成。用粒状渗硼剂渗硼时则需加入粘结剂，用一定方法制成粒状。以硼砂、硼酸或硼醉为供硼剂的渗硼剂，还应添加还原剂。2.3 实验方案为了顺利完成这次实验我把实验分成了几个方案：膏剂刷涂试样表面 45mm，共渗温度 750950，保温时间 2h4h，最后空冷。表 1 L9(34)表头设计温度()（A）铝含量(%)(B)稀土含量(%)(C)保温时间(h)(D)1 750 2 2 22 850 4 4 33 950 8 6 4因 素水平平冲压成型中板料的受力状态的分析4百手起驾 整理为您表 2 实验具体内容温度() 铝的含量 (%) 硼的含量 (%) 稀土含量 (%) 保温时间 (h)1 750 2 98 2 22 750 4 96 4 33 750 8 92 6 44 850 2 98 6 35 850 4 96 2 46 850 8 92 4 27 950 2 98 4 48 950 4 96 6 29 950 8 92 2 33. 试验结果与分析影响硼铝共渗层厚度及质量的主要工艺因素从正交实验结果（表 3）的极差分析（表 4）和（表 5）可以看出。表 3 L9(34) 正交试验结果温度()铝的含量(%)稀土含量(%)保温时间(h)渗层厚度（um）渗层硬度（HV）金相形貌1 750 2 2 2 0 267 无渗层2 750 4 4 3 0 270 无渗层3 750 8 6 4 0 260 无渗层4 850 2 6 3 37 1772 小锯齿形5 850 4 2 4 44 1620 较小的锯齿形6 850 8 4 2 37 1437 小锯齿形7 950 2 4 4 110 1892 明显的锯齿形8 950 4 6 2 57 2289 较明显锯齿形9 950 8 2 3 70 1950 较平滑3.1 极差分析渗层厚度极差分析计算过程：R=Rmax-Rmin=79-0=79(um)R=Rmax-Rmin=49-30=19(um)R=Rmax-Rmin=49-31=18(um)R=Rmax-Rmin=51-31=20(um)种类编号种类编号冲压成型中板料的受力状态的分析5百手起驾 整理为您表 4 渗层厚度极差分析（A） (B) (C) (D)1 0 49 38 312 39 34 49 363 79 30 31 51R 79 19 18 20渗层硬度极差分析计算过程：R=Rmax-Rmin=2044-266=1778（HV）R=Rmax-Rmin=1393-1216=177（HV）R=Rmax-Rmin=1440-1200=240（HV）R=Rmax-Rmin=1420-1257=163（HV）表 5 渗层硬度极差分析A B C D1 266 1310 1350 13312 1610 1393 1200 14203 2044 1216 1440 1257R 1778 177 240 163根据渗层厚度极差分析得到的结果：影响渗层厚度及质量的工艺因素的主次关系为：硼铝共渗温度保温时间铝含量稀土含量。根据渗层厚度平均值得知，最优方案：加热温度为 950，纯铝加入量为 2%，稀土加入量为 4%，保温时间为 4h。为什么不根据渗层硬度确定呢？因为做实验时只打了一次硬度，后来发现只打一次硬度不够，最小打三次才准确。所以只根据渗层厚度来确定。随着渗硼温度的升高，共渗剂与活化剂的化学反应越迅速和充分，所析出的活性硼原子和铝原子的数量越多；硼铝共渗温度的升高还使元素热扩散现象加剧，提高了硼原子和铝原子的活性和扩散速度，增加了硼原子和铝原子在钢表面的沉积率，因此硼铝共渗层越厚，同时渗层组织排列也紧密，渗层质量较好。本实验条件下，T8 钢渗硼最佳温度是 950。在所选定的共渗剂中，B4C+Al+适量稀土的共渗剂效果最好，渗铝效果最差。原因是硼砂型渗硼剂中没有加入含 Al 元素的还原剂，无法析出足量的硼原子渗入试件表面的缘故。在以 B4C+Al 为共渗剂中加入适量稀土后，渗层的厚度及质量都得到大幅度提高。笔者认为稀土元素的加入将有利于破坏 B、H、O、C 原子在各自化合物中的化学键，由于稀土和氧、碳有极强的结合力，使得 B2O3、B 4C 断键，生成大量的活性硼原子，加速了共渗剂的分解。因 素渗层厚度水 平因素渗层硬度水 平冲压成型中板料