Cr8Mo2SiV钢的渗硼层生长动力学及耐磨性.pdf

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 Cr8Mo2SiV 钢的渗硼层生长动力学及耐磨性 慕 东 ， 龙 尧， 邹高华， 王思懿， 吕儒学， 郑铭远 （成都工业学院 材料工程学院， 四川 成都 ； 四川省模具技术高校重点实验室， 四川 成都 ） 摘要：对 钢在、 和 分别进行 、 的固体渗硼试验。 结果表明，渗硼层组织为齿状形貌，经 射线 衍射（）分析，渗硼层由 、 和 相组成。 渗层厚度随着渗硼温度和渗硼时间的增加而增加，渗硼扩散激活能为 。 经显微硬度、磨损试验结果和磨损产物能谱分析，渗硼后试样表层的硬度和耐磨性较渗硼前有显著的提高。 关键词： 钢；渗硼；动力学；硬度；磨损 中图分类号：TG156 8 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2017）05- 0189- 05 Growth kinetics of borided layer on Cr8Mo2SiV steel and its wear resistance ， ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） Abstract： ， ， ， ， - ， ， - - Keywords： ； ； ； ； 收稿日期：- - 基金项目：四川省教育厅项目（）；四川省大学生创新创业训练 计划项目（） 作者简介：慕 东（），男，副教授，博士，主要从事金属材料表面 改性 的 工 作， 发 表 论 文 余 篇， 联 系 电 话： ， - ： DOI：10 13251 j issn 0254- 6051 2017 05 039 冷作模具通常是在常温下对金属坯料进行塑性成 型的模具，包括冲裁模、挤压模、拉深模、冷镦模等。 冷 作模具在工作时，由于被加工金属的变形抗力，模具的 工作部分承受了较大的挤压力、冲击力、弯曲力和摩擦 力。 长期以来我国使用的冷作模具钢主要是 型 冷作模具钢，其耐磨性较好，但由于韧性不足，易早期 失效 。 近年来， 型冷作模具钢以其高耐磨性和 高韧性兼备的优势在国内外广泛应用 - 。 渗硼是一种在高温下使硼元素渗入金属表面获得 硼化合物层的化学热处理技术。 渗硼层具有优良的耐 磨性、较好的耐蚀性和抗高温氧化性 。 目前，国内 外对 型冷作模具钢的渗硼层的研究报道较少 - ， 且获得的渗硼层均为 单相或主要是 相。 因 此，对 型冷作模具钢渗硼层硬度、耐磨性等研究也 主要是对 渗层硬度及耐磨性的研究。 本文采用 型双相渗硼剂，对 钢进行固体渗硼，获 得由 和 构成的双相化合物层。 根据渗硼层 厚度与渗硼温度、时间的关系，建立渗层生长动力学模 型。 并研究了 钢的双相渗硼层的滑动磨 损性能。 试验材料及方法 1 1 材料与试剂 试验钢材是 钢，试样尺寸为 ，其化学成分（质量分数，） 为：、 、 、 、其余 。 所用渗硼 剂为商用 型粒状渗硼剂。 1 2 渗硼工艺 渗硼前，所有试样经除油、丙酮清洗、砂纸打磨抛 光。 试验采用固体渗硼法，将试样埋在渗硼剂中，一起 置于钢制渗硼箱内，密封后放入 型箱式 电阻炉内，渗硼过程的温度分别为 、 和 ， 保温时间分别为 、 和 。 渗硼结束后渗硼箱随 炉空冷并取出试样。 1 3 渗硼层特性分析 分别采用 型光学显微镜、- 型 扫描电镜、摧 型 射线衍射仪对渗硼后 l 第 卷 试样进行渗层厚度、组织和物相的测定与分析。 渗硼 层硬度用 - 型显微硬度计测定，其 压头载荷为 。 1 4 渗硼层生长动力学 渗硼层厚度遵循随时间增长的抛物线定律 ： x Kt（） 式中：x 为渗硼层厚度，t 为时间，K 为扩散系数。 扩散 系数 与渗硼温度之间满足 公式 ： K K （ Q RT）（） 式中：K为频率因子，Q 为硼的扩散激活能，R 为气体 常数，T 为绝对温度。 由公式（）取自然对数，得公式 （）： K K （Q RT）（） 1 5 磨损试验 渗硼前后的试样在 - 型摩擦磨损试验机上 进行滑动磨损试验。 试样尺寸为 ，对磨件为 钢环，其外径 矱 ，内径 矱 。 磨损试验机转速为 ，滑动速度为 ，磨损载荷 。 磨损时间为 。 用精 确到 的 型电子天平对磨损前后的试样 进行称量，采用磨损质量损失对渗硼层的耐磨性能进 行评估。 磨损形貌和磨损产物用 - 型 扫描电镜进行观察和 能谱分析。 结果及分析 2 1 渗硼层显微组织 图 为 钢经 渗硼后渗层 截面 形貌图，渗层厚度约 ，有明显的分层 特征，即存在表层和次层，表层和次层呈齿状形貌。 图 钢经 渗硼后 渗层的 形貌 2 2 渗硼层物相 图（）为 钢经 和 渗硼后渗层表面 图。 如图 所示， 和 渗硼后试样表面的物相均为 、 和 相， 相未能检测到，估计是由于 表层的硼化物层过厚（如图 所示）， 射线无法穿透 表层所致。 将 渗硼后的试样表面磨去 和 后进行 射线衍射逐层分析，如图（） 所示，可以检测出 相。 钢渗硼层存在 、 和 相，且以 相为主。 图 钢渗硼后渗层的 图 （）原始渗硼层；（） 渗硼层经打磨后 （） ； （） 2 3 渗硼层生长动力学分析 图（）为 钢的渗硼层厚度与渗硼温 度和时间的关系。 可以看出渗硼层厚度在 之间，且随着渗硼温度的升高和渗硼时间的延长，渗硼 层厚度增加。 图（）为渗硼层厚度的平方与渗硼温 度和时间的关系曲线，由图（）可见 钢的 渗硼层厚度的平方与渗硼时间成直线关系。 图（）所示 钢中硼原子的扩散系数 K 与温度同样呈线性关系。 由公式（）可知，频率因 子 K为常数，硼在 钢中的扩散激活能 Q 取决于 T 和 K 拟合后直线的斜率，经计算其扩散 激活能 Q 为 ，如图 （）所示。 2 4 渗硼层显微硬度 图（）和（）分别为 钢经 第 期慕 东，等： 钢的渗硼层生长动力学及耐磨性 l 图 渗硼温度和时间对渗硼层厚度（）及厚度平方（）的影响 （） （） 图 钢渗硼后显微硬度压痕沿渗层深度分布图 （） 渗硼；（） 渗硼；（）显微硬度值分布 （） ； （） ； （） 和 渗硼后显微硬度压痕沿渗层深度分布 的金相照片。 钢在 渗硼后的 渗层硬度值为 ，在 渗硼后的渗层硬度值为 ，其基体 硬度约为 。 钢经 和 渗硼后显微硬度值变化曲线如图 （） 所示。 渗层的外表层硬度值低于次表层硬度值， 估计是由于外表层的硼化物层存在气孔、裂纹等缺陷， 其结构较疏松，在硬度计载荷头的挤压下开裂，造成所 测硬度值偏低 。 2 5 渗硼层磨损性能 图 为未渗硼试样和经 和 图 硼原子在 钢中的扩散系数 K 与温度 T 的关系 （） K- T； （） T- K 渗硼后试样的滑动磨损试验结果比较。 未渗硼 钢在载荷 的条件下滑动磨损 后，其磨损量约为 ，而在相同的磨损条件下， 钢经 和 渗硼后 的磨损量分别为 和 。 因此，渗硼后 钢表面的耐磨性远远高于未渗硼试样。 且 随着渗硼温度和渗硼时间的增加，渗硼试样的耐磨性 有所提高。 为进一步探讨磨损机理，分析了未渗硼和经 渗硼后的 钢磨损表面的形貌和成 分。 图（）、（）是未渗硼和渗硼试样的磨损形貌。 l 第 卷 图 未渗硼试样和渗硼试样的滑动磨损试验结果比较 从图（）的未渗硼试样磨损表面看，磨损表面存在着和 磨损方向一致的明显划痕，在与对磨件 钢环摩擦 和挤压作用下，有少量的塑性隆起出现，伴随着轻微的粘 着磨损。 图（）是渗硼后的试样表面磨损形貌，其磨痕 不明显，说明硼化物层的磨损质量损失很小。 图（）和 （）分别是图（）和（）中、 区域磨损产物的 能 谱分析，从结果可知，未渗硼试样的磨损产物中有氧元素 存在，而渗硼试样的磨损产物中没有检测到氧元素。 渗 硼层通常在室温下具有较低的冷焊倾向 ，并且温度超 过 以上，铁的硼化物层表面才出现氧化现象 - 。 因此，渗硼试样的耐磨性显著提高。 图 未渗硼试样（， ）和 渗硼试样（， ）的磨损表面 像及 图谱 （， ） （， ） 结论 ） 钢经固体渗硼后，渗硼层呈齿状楔 入基体，由 、 和 相组成。 ） 钢的渗硼层厚度为 ，且 随时间的延长和温度的升高而增厚。 硼在 钢中的扩散激活能为 。 ） 渗硼后的 钢的显微硬度很高，与基 体组织相比显微硬度提高了 倍以上，并大大提高 了其耐磨性。 参考文献： 魏兴钊， 朱伟恒， 覃 宁， 等 型钢制冷作模具的失效分析与 探讨金属热处理， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - 王 葛， 刘智超， 常旭东， 等 钢轧辊最终热处理过程数值模 拟与实验研究材料热处理学报， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - ， ， ， ， （）： - 房 敏液压支架油缸活塞杆的表面渗硼工艺金属热处理， 第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 大型球磨机用耐磨钢球的热处理 白 雪 ， 金云学， （江苏科技大学 材料科学与工程学院， 江苏 镇江 ； 江苏省先进焊接技术重点实验室， 江苏 镇江 ） 摘要：采用企业生产线上轧球的原材料，研究热处理工艺对耐磨钢球组织性能的影响。 淬火加热温度分别为 、 、 和 ，根据组织和性能分析，找出合适的淬火温度。 选用合适的淬火温度，再分别进行不同温度（、 和 ）的恒温水浴淬火及回火试验（、 和 ），研究处理工艺对组织和性能的影响。 结果表明：低合金中碳钢轧 制钢球的最佳热处理工艺为： 淬火 回火，获得均匀的回火马氏体，粗细、大小均适中，硬度最高。 淬火介质温度为 时硬度最高，为 。 关键词：轧制成型；热处理；淬火；回火 中图分类号：TG156 1 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2017）05- 0193- 04 ， （）： - ， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - 李 诚， 揭晓华， 张艳梅， 等 冷作模具钢基于短时渗硼的 强韧化材料热处理学报， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - ， ， ： ， ： ， ， （） ， ， （）： - ， ， ， （）： - ， ， ， ： - ， ， ， ， ， （）： - 毕 ， ， 爧 ， （ ） ， ， （）： - Heat treatment of wear resistant steel ball for large ball mill ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） Abstract： 、 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， Keywords： ； ； ； 收稿日期：- - 作者简介