（机械工程专业论文）20钢和5crnimo钢表面渗硼后的激光重熔.pdf

鞠川大学工稳硕士学袋论文萝5 6 5 1 67 2 0 钢和5 c r n i m o 钢表面渗硼后的激光重熔 机械工程专业 研究生汤光平指导教师范洪远黄太荣 本文对2 0 钢和5 c r n i m o 钢表飚渗硼蕨进行了激光重髂试验，利用光 学显微镜、招摇电镜、x 射线衍射殷性能试验探讨了工艺方案对处遵表层 源发、微观硬度的影响，研究了激光重熔前后表面脆性、缎织结构形态和 相组成的变化及原因，醴及这些变仡与表丽抗热震往髓和黼蘑损健能的联 系，并分析了表面脆性的改蓠途径殿对表面性能影响的机联。研究结果表 明： ( 1 ) 通过调整渗硼剂的成份，增加渗剂中b 4 c 的含量，提高渗剂中的 碾努，髓够鞠显提高渗硼屡豹深度，在筠锅释5 c r n i m o 锱表露获缮翡渗 硼屡深度可达到01 6 m m o 2 5 m m ，而且渗层内硬度有所提高，均匀性也 褥霎缀太蠡鼋渡善。 ( 2 ) 通过试验确定的两种激光工艺都能使渗硼层完全熔化，熏熔层微 麓瑗发育舞下簿，袋燕疆度瘀1 2 7 4h v o , 2 下释鬓1 0 9 8 珏魄2 ，硬度蜂僮爨 现在次表艨，而不是在表面，这垮表面龠金元素的烧损和熔池的冷却过 程鸯关。 ( 3 ) 2 0 钢渗硼后经过激光重熔处理，寝层脆性有所降低，相对脆性降 低到8 4 。4 8 l ，8 ：对于5 c r n i m o 钢，激必重熔处理对表鼷骁性纛不同稷 度上有所改善，激光重熔方案l 2 ( 激光功率8 0 0 w ，扫描速度 6 0 0 m m m i n ，离焦爨+ 7 m m ，搭按率1 8 ，0 5 5 m p a 氯气保护) 的效果更加 显著，相对脆性最大降低了7 1 3 。 ( 4 ) 激光重熔有效延缓了微观裂纹的产生和扩鼹，从萌明显改善2 0 钢和5 c r n i m o 钢表面的抗热震性熊，为延长热作横具的寿命提供了一条新 的技术途径。 汤光平：金属材料表面渗硼后的激光重熔 ( 5 ) 无论是2 0 钢还是5 c r n i m o ，激光重熔都能明显地改善渗硼层的 抗磨粒磨损性能，使相对耐磨性提高了2 3 - - 1 4 2 ，而2 0 钢表面耐磨性 的变化更加明显。渗硼层属于断裂机制占主导地位的磨粒磨损，而激光重 熔层则属于以滑动摩擦磨损和疲劳磨损占主导地位的磨粒磨损。 两种材料重熔后抗冲击磨损性能在不同程度上都有所提高，2 0 钢的相 对耐磨性提高更多。渗硼层和激光重熔层有不同的冲击磨损机制：渗硼层 以沿晶脆性断裂和穿晶剥落断裂为主，宏观上表现为摩擦磨损、崩裂和表 层剥落，而重熔层只有摩擦磨损。 ( 6 ) 重熔区内，两种材料原有的齿状结构已经完全得到改变，渗硼层 内部的疏松、孔洞等缺陷都全部消除。根据细小的组织形态，重熔区内可 分为三个区域，组织均为含硼马氏体+ f e 2 b + 多元合金相。 正是由于激光重熔改变了硼化物的形态、消除了f e b 和渗层内的缺 陷、改善了界面的结合状态、细化了组织、适当降低表面硬度、提高表面 断裂韧性、使硼原子得到重新分布，从而有效降低了表面脆性，并在不同 程度上提高了材料表面抗热震能力和耐磨损性能。重熔区内形成的众多合 金相的及过渡区获得的马氏体对材料表面强烈的支撑作用也有利于耐磨性 能的改善。 关键词：硼化物齿状结构激光重熔表面脆性耐磨损性能 t t 四川大学工程硕士学位论文 l a s e r r e m e l t i n g o ns u r f a c e so f2 0s t e e l a n d5 c 1 n l m os t e e la f t e rb o r o n i z a t i o n m a j o r ：m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：t a n gg u a n g p i n g s u p e r v i s o r ：f a n h o n g y u a nh u a n gw e n r o n g l a s e rr e m e l t i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e ns t u d i e do n2 0c a r b o ns t e e la n d 5 c f n h m om o u l ds t e e la f t e rb o r o n i z a t i o ni nt h i st h e s i s t n ee f f e c t so f t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so nt h ed e p t ha n dm i c r o h a r d n e s so ft r e a t e dc a s e sa r e e x p l o r e d ，a n dt h e a l t e r a t i o na n dc o r r e l a t i v er e a s o n so fs u r f a c eb r i t t l e n e s s ， s t r u c t u r a l m o r p h o l o g i e s a n dp h a s e s e o m p o 虹t i o na n dt h e r e l a t i o n so ft h e s e a l t e r a t i o n t o p r o p e r t i e s o fa n t i - t h e r m a l i m p a c t a n dw e a rr e s i s t a n c ea t e i n v e s t i g a t e db ym e a n so f 咧诫m i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dp r o p e r t y t e s t s m o r e o v e r ，t h e m e c h a n i s m sf o ri m p r o v i n g 鬣程 妇b r i t t l e n e s sa n d a f f e c t i n gs u r f a c ep r o p e r t i e sa r e a n a l y s e d t h er e s u l t ss h o w 私f o l l o w ： ( ) t h ed e p t ho fb o r i d el a y e re a 矗b ei n c r e a s e dc o n s i d e r a b l yb ya d j u s t i n g b o r o n i z a t i o na g e n t ，n a m e l yr a i s i n gt h ep e r c e n t a g eo f b 4 c ，t oe l e v a t et h eb o r o n c o n c e n 牲a t i o ni nb o l o n i z a t i o na g e n t ，t h eb o r i d el a y e r so nt h et w os t e e l sa r eb o t h u pt o 0 ，1 6 m m o 2 5 r a md e p t h ，t h e i rh a r d n e s si n c r e a s ea n d h o m o g e n e i t y i m p r o v e sd i s t i n c t l y ( 2 ) t h et w ol a s e rt e c h r m i q u e sg a i n e dt f r o mt h ee x p e r i m e n t sc a nm e l tt h e b o r i d el a y e r sc o m p l e t e l yi n t ot h er e m e l t e dc a s e sw i t hm a x i m u mm i e r o h a r d n e s s d e c r e a s i n gf r o m1 2 7 4 h v 0 2 t o1 0 9 8h v 0 2 ，w h i c h p e a k s o c c u ri nt h es u b s u r f a c e s d u ot om e l t i n gl o s so fa l l o yd e m e n t sa n dc o o l i n gp r o c e d u r e o f m e l t i n gp 0 0 1 ( 3 ) t h es u r f a c er e l a t i v eb r i t t l e n e s sd e c r e a s e st o8 4 4 _ 8 1 6 w h e nt h e b o r i d e l a y e r s o f2 0s t e e la r er e m e l t e d ，e n dl a s e r r e m e l t i n g e a r ll e s s e nt h e b r i t t l e n e s so f 5 e r n i m os t e e ls u r f a c e st oac e r t a i ne x t e n t ，t h es c h e m el 2o f l a s e r 汤光平：金属材制表面渗硼后的激光重熔 r e m e l t i n g ( 1 a s e rp o w e r8 6 0 w ，s c a n n i n gs p e e d 6 0 0 m m m i n ，s p o t o f f s e t + 7 m m ，o v e r l a p p i n gr a t i o1 8 ，s h i e l d i n gg a so5 5 m p aa r g o n ) b e h a v e sb e t t e r w i t ht h es u r f a c er e l a t i v eb r i t t l e n e s sd e c r e a s i n gb y7 13 m a x i m u m ( 4 ) t h el a s e rr e m e l t i n gh a si m p r o v e dt h ea n t i - t h e r m a li m p a c tp r o p e r t yo f t h et w os t e e l sb e c a u s eo fp o s t p o n i n g e f f e c t i v e l y m i c r o c r a c k s y i e l d i n g a n d p r o l o n g a t i n g ，w h i c hp r o v i d e sh o tm o u l d s w i t han e wt e c h n i c a la c c e s st oe x t e n d l i f e - s p a n ( 5 ) t h ea b r a s i v ew e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e so nb o t hs u r f a c e so ft h et w o s t e e l sh a v eb e e nr e f o r m e do b v i o u s l ya f t e rl a s e rr e m e l t i n gw i t hr e l a t i v ew e a r r e s i s t a n c ei n c r e a s i n gb y2 3 一1 4 2 ，t h ee f f e c to n2 0s t e e li sm o r ee v i d e n tt h e b o r i d el a y e rp o s s e s s e sa b r a s i v ew e a rw i t hf r a c t u r em e c h a n i s mi nt h eh i g h e s t f l i g h t ，w h i l et h el a y e ro fl a s e rr e m e l t i n gw i t hs l i d e f r i c t i o nw e a ra n df a t i g u e w e a ri nt h eh i g h e s tf l i g h t t h ei m p a c t - w e a rr e s i s t a n c eo ft h et w os t e e l sh a sb e e ni m p r o v e dt os o m e e x t e n ta n dt h a to f2 0s t e e l sh a sb e e ni m p r o v e dm o r e t h eb o r i d el a y e ra n dt h e l a s e rr e m e l t i n gl a y e rp o s s e s sd i f f e r e n ti m p a c t - w e a rm e c h a n i s m s t h eb o r i d el a y e r g i v e sp r i o r i t yt oi n t e r g r a n u l a r b r i t t l e n e s sf r a c t u r ea n d t r a n s g r a n u l a rf r a c t u r e ，a n d e x h i b i t sf r i c t i o nw e a r ，b u r s t i n ga p a r ta n ds u r f a c ed e s q u a m a t i o n ，w h i l et h el a s e r r e m e l t i n gl a y e ro n l yr e v e a l sf r i c t i o nw e a r ( 6 ) w i t h i nt h ea r e ao f l a s e r r e m e l t i n g ，i n t r i n s i cd e n t a t i o ns t r u c t u r e so f t h e t w om e t a l sh a v eb e e nr e f o r m e dc o m p l e t e l ya n dd e f e c t ss u c ha sr a r e f a c t i o na n d p o r ei nb o r i d e h a v e t o t a l l yr e m o v e d t h er e m e l t i n g a r e ac a nb ed i v i d e di n t ot h r e e a r e a s a c c o r d i n g t ot h e i rf i n e m o r p h o l o g i e s w h i c ha l l c o m p o s e m a r t e n s i t e c o n t a i n i n gb o r o n ，f e d 3a n dm u l t i - a l l o yp h a s e s l a s e rr e m e l t i n ga c h i e v e s d e c r e a s i n g s u r f a c eb r i t t l e n e s s e f f e c t i v e l y a n d i n c r e a s i n gp r o p e r t i e so f a n t i - t h e r m a li m p a c ta n dw e a rr e s i s t a n c et os o m ee x t e n t m o s t l yb y m e a n so fa l t e r n a t i n gb e t i d e m o r p h o l o g i e s ，e l i m i n a t i n gf e ba n d d e f e c t sw i t h i nb o r i d el a y e r ，i m p r o v i n gt h ei n t e r f a c eb o n d i n gi n t e n s i t y ，f i n i n g t h em i c r o s t m c t u r e s ，l e s s e n i n gs u r f a c eh a r d n e s sp r o p e r l y ，e n h a n c i n gs u r f a c e f r a c t u r et o u g h n e s sa n dr e d i s t r i b u t i n gb o r o nc o n c e n t r a t i o n t h en u m e r o u s m u l t i i v 鼹j i l 大学工程硕士学位论文 a l l o yp h a s e sw i t h i nr e m e l t i n ga r e aa n ds t r o n gs u p p o r tt ot h em a t e r i a l s s u r f a c e s b ym a r t e n s i t e sg a i n e dd u r i n gr e m e l t i n gp r o c e s sw i t h i nt r a n s i t i o na r e a a r ea l s oi n f a v o u ro f i m p r o v e m e n to f w e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e s k e y w o r d ：b o r i d e d e n t a t i o n f r a m e ，l a s e rr e m e l t i n g ，s u r f a c eb r i t t l e n e s s ， w e 8 , rr e s i s t a n c e v i 四j i i 大学工程硕士学位论文 l 绪论 1 1 引言 在进行机械加工时要用到大量的成形模具，如冲压模具和热挤压模 具，在实际工程应用过程中也有无数金属结构零部件在磨粒、腐蚀气氛、 高温、外加载荷的环境中工作，这些模具和零部件就需要具有良好的综合 性能：表面应具有较好的硬度和强度，心部则需要有较高的韧塑性，以使 材料特别是材料表面才能表现出优异的硬度、耐磨性能、耐热性能和耐腐 蚀性能。但是，直接从钢铁厂冶炼出来的整体金属材料很难同时满足生产 中这种需求，因此表面工程就成为解决上述问题的最佳途径，渗硼作为表 面工程中的一种有效工艺技术也得到了广泛的关注 i - 5 1 。 所谓渗硼，就是利用含硼介质( 可以是固体、液体或气体) 在一定的 高温下发生特殊的化学反应，产生的活性硼原子再通过吸附和扩散作用过 程渗入金属材料表面并向内部扩散，并根据金属材料中所含元素的种类、 硼原子的浓度、渗硼工艺参数的不同而在材料表面一定深度范围内形成特 殊的合金相，从而提高金属材料表面的机械性能的工艺方法。 渗硼层性能十分优异，无论是低碳钢还是模具钢甚至有色金属，表面 获得的渗硼层微观硬度都能达到1 0 0 0 h v 以上，高合金钢渗硼时，渗硼层 的显微硬度均可达到或接近f e 扭的最大值1 4 0 0 h v - - 1 6 0 0 h v l 6 1 ；对盐酸、硫 酸和磷酸具有良好的抗蚀性，但对硝酸的耐蚀性较差；其热硬性也很高，在 8 0 0 ( 2 时仍然能保持较高的硬度：在6 0 0 。c 以下的抗氧化性能较好m 。 正因为渗硼层具有如此优异的性能，渗硼技术才得以广泛应用于各类 模具( 包括各种冷冲模、冷挤压模、冷墩模和热锻模具、压铸模等) ，也大 量应用于各种磨损零件，如工艺装备中的钻模、靠模、夹头，精密偶件中 的活塞、柱塞，微粒磨损件中的石油钻头，以及各种在中温腐蚀介质中工 作的阀门零件等【8 。1 “。在所有这些应用中，渗硼都能使产品的使用寿命大大 提高，最大可提高数十倍 1 1 1 2 1 ，不仅极大地降低了原材料消耗、节约了生 产成本、缩短了生产周期，还提高了产品在市场上的竞争能力，显示出了 巨大的技术价值、经济价值和社会价值。 1 2 渗硼技术的概况 渗硼工艺自诞生至今已有1 0 0 多年的历史，在此期间国内外学者和研 汤光平：金属材料表面渗硼后的激光重熔 究人员发明了许多的渗硼工艺方法。我国自2 0 世纪7 0 年代开始大力发展 渗硼技术，目前已经在实际生产中得到了广泛的应用。 传统的渗硼工艺技术从工艺方法上分为固体粉末渗硼、溶盐和熔融氧 化物渗硼( 包括电解渗硼和非电解渗硼) 、气体渗硼、膏剂渗硼，详细分类 见图卜1 。气体渗硼过程中所用的气氛有的不稳定，有的易水解，有的还具 有爆炸性，因此目前应用极少。随着渗硼技术的不断发展，近年来又发展 了等离子渗硼、电子束和激光渗硼、自蔓延高温渗硼等。 图卜1 传统渗硼的工艺方法“” 1 2 1 固体粉末渗硼 固体粉末渗硼时将工件埋入渗硼剂中，装箱密封，并在电炉内升温。 在高温下，渗硼剂形成的气相含硼化合物如b f , 在还原剂的作用下进一步生 成b f 。或b 。仉，然后吸附在工件表面上，分解释放出活性硼原子，这些活性 硼原子通过扩散作用进入材料，从而实现渗硼。由于工艺操作简便、使用 设备简单、质量容易控制、容易清洗等特点，在实际生产中应用最多。 1 2 1 1 渗硼剂 四川大学工程硕士学位论文 固体渗硼剂由供硼剂、活化剂和填充剂三部分组成，具有一定的颗粒 度和松散性，粒度一般控制在o 4 m m 一10 m m ，以有利于工件表面的催化 反应。 供硼剂一般用碳化硼、硼铁合金粉、硼酐、硼粉、氟硼酸钠、无水硼 砂，为了获得均匀致密的渗层，硼铁合金中的硼含量应大于2 0 ，同时将铝 和硅的含量尽量控制在较低的范围内。 活化剂是实现低温( 低于a c l 的温度) 快速渗硼的关键，通常在渗硼 剂中加入2 一5 氟硼酸钾k b f 4 。氟硼酸钾活性大，还可作为硼源，加入 后能够加速渗硼的进行，加入量越多，渗层深度也越大，但加入量超过5 以后，渗层深度增加相当缓慢，并在渗硼过程中产生的有害气体大量增 加，而且其熔点较低( 熔化分解温度只有5 3 0 ) ，容易挥发，耗损量较 大，因此使用时有一定的要求。 倪金荣等对n a z s i f 6 和k b f 4 在以硼铁为供硼剂的固体渗硼剂中的活化 作用进行了专门的试验研究和热力学分析。结果表明，n a 2 s i f 6 的活化作用 大于k b f 4 ，尤其在较低渗硼温度下，n a 2 s i f 6 的活化作用更加明显“。 为了进一步提高渗硼速度，还可加入4 左右的硫脲、卤化铵、碳酸 铵、碳酸氢铵、尿素、氟树脂、碳酸钠等。活化剂对渗层深度的影响如图 】2 。 苎5 0 蔷4 0 莲3 0 嚣2 0 1 0 原氯硫碳甲尿碘氟六次 配化酸酸化化甲基 方铵脲铵铵蠢铵铵四铵 图1 2 活化剂对渗层深度的影响“” 原渗剂配方：5 f 4 ，2 0 木碳，7 5 f e - b 合金 新渗剂配方：5 k b f 4 ，2 0 v o ：木碳，7 1 f e - b 台金，4 各种活化剂 基体材科；g c r l 5 渗硼工艺：7 5 0 3 h 汤光平：金属材料表面渗硼后的激光重熔 不同的供硼剂对活化剂具有选择性，只有活化剂选择适当，才能发挥 最佳的催渗效果。王伟兰等“6 1 专门研究了活化剂硫脲、氟化钠、氯化铵的 添加量对低温渗硼组织与性能的影响，从而确定出合适的活化剂添加量。 结果表明：只要低温粉末渗硼剂中硫脲、氟化钠、氯化铵的添加量合适，便 能共同作用提高渗速，使渗层均匀、致密，从而提高渗层的耐磨性。 填充剂有木碳和金刚砂( 碳化硅) ，其主要作用是防止渗剂烧结、保持 渗剂的松散性和保持还原性气氛，通常的加入量为2 0 - - 3 0 。 常用的固体渗硼剂配方见表1 1 。 表1 - 1 固体渗硼剂配方( 1 7 1 ( 质量分数) 编号配方 1 2 0 3 0 a k 碳粉，2 5 氟硼酸钾，o 5 3 硫脲，其余为硼铁粉 2 5 碳化硼，2 5 氟硼酸钾，其余为金刚砂 3 2 0 3 0 木碳粉，2 - 5 氟硼酸钾，1 * * - 3 硫酸铵，其余为硼铁粉 41 0 氟硼酸钾，5 0 8 0 金刚砂，其余为硼铁粉 55 氟硼酸钾，7 5 荤1 化铝，其余为硼铁粉 62 0 - 3 0 木碳粉，2 - 5 氟硼酸钾，1 - 4 卤化铵，其余为硼铁粉 为了缩短渗硼时间，提高生产效率，同时改善渗硼层的均匀性、提高 渗层与基体间的结合力、获得不同的性能，近几年来，研究人员在渗剂中 加入了其它元素，形成了多元共渗或复合共渗技术。 n o w a c k i 等“”利用9 的硼、5 一1 5 铜、其余为铁的混合粉末进行复 合共渗，通过调整铜的含量和工艺参数，获得的组织结构由两种相组成： 强化相铁铜硼化物( f e , c u ) 2 b 硬度达到了1 7 0 0n v o ，而基体共晶组织则具 有良好的韧塑性。从而使材料表面具有高硬度、高温耐磨性能和合适的延 性。 在渗硼剂中加入稀土元素后，文献“”获得复合稀土硼碳化物的 l a s b 2 c 6 ，在硼化物齿间还同时获得了孪生相s e 3 c 4 ，并为其它复合相如 g d 4 8 3 c 4 和g d s b 2 c 5 的形核提供了基础：文献。4 3 指出稀土元素加入后明 4 四川大学工程硕士学位论文 显加快了硼铝共渗的速度，但是并不改变渗层增厚的动力学规律，材料表 面形成的稀土硼铝共渗层具有较高的残余压应力和硬度，能够抵消部分由 于热变形而产生的拉应力，延缓裂纹的萌生和扩展速度，提高热疲劳寿 命。稀土元素由于其独特的微合金化作用、固溶强化作用和对晶界的净化 作用。“，使得硼化物的硬度提高而脆性下降，从而使得硼化物层的性能得 到进一步改善。 1 2 1 2 渗硼温度和时间 渗硼层的深度和性能除了与渗剂的成份种类和含量有关外，还与渗硼 工艺参数有密切联系。渗硼温度主要根据基体材料的性质和选用的渗硼剂 成份，一般为8 0 0 9 5 0 。2 0 钢、4 5 钢、g c r l 5 在7 0 0 c - - 9 5 0 。c 温度 下获得的渗层深度分别为4 4 i n n - - 2 6 0 1 m a 、4 0 岬一2 4 0 m 和3 2 m 一 2 2 0 1 a m “。保温时间则由渗层厚度以及渗硼温度共同确定，一般为2 _ _ 6 h 。 1 2 2 液体渗硼 液体渗硼即通常的盐浴渗硼，与其他化学热处理一样，由分解、吸 收、扩散三个过程组成。渗硼时，以硼砂为主盐，越占7 0 以上，适当添 加碳酸盐、氯化物、氟化钠、氟铝酸钠等，以改善盐浴的流动性，同时以 金刚砂、铝粉、硅钙合金、硅铁等作为还原剂。 以碳化硅为还原剂的盐浴中，化学反应如下： n a 2 b “b _ n a 2 0 + 2 8 2 0 3 b 2 0 3 + s i c c o + s i 0 2 + 2 【b 】 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 【b + 2 f e f e 2 b( 1 3 ) 在9 5 0 ( 2 左右渗硼俨6 h ，可以获得0 0 2 m m o 1 0 m m 厚的单相f e 2 b 层，脆性较小。但硼砂和金刚砂组成的盐浴流动性差，渗硼后工件清洗困 难，需要增加n a c i 、k c i 、k 2 c 0 3 、n a f 、n a 2 c 0 3 等改善其流动性。 以铝粉为还原剂的盐浴中，化学反应如下： n a z b 4 0 7 。n a 2 0 + 2 8 2 0 3 b 2 0 3 + 2 a l - - - * a 1 2 0 3 + 2 b 】 b 】+ f e 一f e b b + 2 f e - - - , f e 2 b ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) 在9 5 0 * ( 2 左右渗硼4 _ _ 6 h ，可以获得较厚的f e b + f e 2 b 双相渗硼层，硬 汤光平：金属材料表面渗硼后的激光重熔 度高，脆性大。盐浴流动性好，活力强，但容易分层，铝易积于坩埚底 部，对坩埚造成腐蚀。 如果在低温盐浴( 氯化盐或氟化盐) 中加入四硼酸钾盐( 供硼剂) 和碳化 硼( 还原剂) ，在5 5 0 。c - - 6 5 0 下对2 0 钢进行8 h 低温渗硼，可获得o0 4 m m 的双相渗硼层。 1 2 3 膏剂渗硼 渗硼时将膏状渗硼剂调匀后均匀涂覆在工件表面上，晾干后升温渗 硼，出炉后去掉渗剂，随即降温或升温加热淬火，也可冷却至室温后重新 加热淬火、回火。 膏剂渗硼由于操作方便，工艺实用，容易实现局部渗硼，而且渗速 快，易清洗，渗层也较厚，最近几年在实际生产中得到了较多的应用。所 使用的渗硼膏剂主要包括促进剂，以及填充剂和粘接剂。其中多以b 。c 或 硼铁做供硼剂，文献 2 3 - 2 4 1 在试验和热力学原理分析的基础上，根据g i b b s h e l m h o l t z 方程，计算出化学反应的自由能变g ，验证了以b 4 c 、n a f 、 k b f 4 、k f 、s i c 、a 1 2 0 3 、n a 2 c 0 3 、碳粉、有机脂为主要成份的膏状渗硼剂 的可行性，并研制出了自保护型渗硼膏剂。当加热到7 0 0 时，渗硼剂发生 以下反应： k b f 4 = k f + b f 3( 1 - 8 ) 4 b f 3 + 3 s i c + 4 0 2 = 2 b f 2 + b 2 0 3 + 2 s i f 4 + s i 0 2 + 3 c of( 1 - 9 ) 4 n a f + 2 s i c + 3 0 2 = 2 n a 2 0 + s i 0 2 + s i f 4 + 2 c ofn l o ) n a 2 c o a = n a 2 0 + c 0 2f( 1 1 1 ) 文献 2 5 2 6 1 经过多次试验和优选，分别研制成功成本低而且剥落性好的 渗硼膏剂和硼砂型渗硼膏剂。 黎向锋等1 2 7 1 以b 4 c 为供硼剂、k b f 4 为基本催化剂、s i c 为填充剂、桃 胶为粘结剂，加入适量稀土r e 和卤化物，按不同比例调成膏剂，然后对 4 5 钢进行低温膏剂渗硼，并对渗硼表面的耐蚀性进行了对比试验。结果表 明，梳齿状低温渗硼试样的耐蚀性优于高温渗硼试样，而块粒状渗硼试样 的耐蚀性明显优于梳齿状渗层。 而晁拥军吲等则对4 0 c r 钢进行了膏剂渗硼，经过研究认为渗后复合热 处理对渗硼层的形态和硬度无明显影响，但由于改变了基体组织使渗硼试 四川大学工程硕士学位论文 样耐磨性发生了改变，渗硼后经淬火+ 4 5 0 中温回火的试样耐磨性能最 好。 1 2 4 真空渗硼 宋建华【柳、s i j ok 【3 0 1 等人在硬质合金表面进行真空渗硼，并以此作为 硬质合金工具表面化学气相沉积( c v d ) 金刚石薄膜涂层的预处理。结果 表明，真空渗硼后，表面生成了具有较高稳定性的以c o w b 、c o b 为主的 渗层，在金刚石沉积过程中有效阻止了c o 在表面以单质态存在，克服了对 c o 金刚石涂层的不良影响，获得了质量良好、组织致密的金刚石薄膜涂 层，并缓解了涂层应力，增强了涂层与基体的附着力。 文献1 3 1 1 利用n a c i 作为催化剂，探讨了真空渗硼过程中的一些物理化学 过程，对难熔金属m o 、n b 、t i 、z r 表面渗硼时的动力学及渗后的物相进 行了研究，并对渗硼层的抗腐蚀性能的稳定性、耐磨损性能进行了深入的 分析。 1 2 5 等离子渗硼 等离子渗硼是将被处理材料表面置于渗硼介质( 膏剂介质或气体介 质) 中，在极高温度及巨大动能的等离子束流f 3 2 】轰击下，被加热表面及涂 敷的膏剂产生超常规变化，或渗硼气体介质电离产生活性硼原子，从而实 现渗硼强化。通过调整介质成份，可以达到快速、高效、无污染、高成品 率的渗硼目的。 这种技术国外研究较多，应用也比较广泛p 3 郴1 。如文献1 3 6 1 在中碳钢上 进行了硅碳硼的等离子共渗，s e m 和x r d 分析表明渗层为f e b 和f e 2 b ， 获得了渗硼层生长常数d 与渗硼温度t 之间的的数学表达式( 1 n d 与1 ，r 之间呈线性关系) ，并探讨了等离子渗硼的动力学和渗硼效果。 而i a k o v o u 3 7 1 等人则在工具钢表面进行了等离子渗硼，获得的1 5 m m 厚渗层均匀，硬度达到1 0 0 0 h v - - 1 3 0 0 h v ，渗层主要组成相为f e 2 b 、由硼 化物和马氏体形成的共晶组织。同时，还在共晶区域发现了裂纹，但并不 显著影响渗层的滑动磨损方式，其磨损率主要与表面的摩擦系数有关。测 得的摩擦系数为0 1 3 o 2 3 ，其值的大小强烈地依赖于滑动面的氧化状态。 国内在这方面也有具体的应用。刘元富等人【3 8 1 用高能等离子束在常压 下对4 5 钢管内表面进行了多元渗硼及自激冷淬火，获得多元渗硼加淬火复 7 汤光平：金属材料表面潘硼后的激光重熔 合硬化层，渗剂中所含硼、硅、铈3 种元素以不同深度渗入了材料内部， 硬化层为隐针马氏体及硼硅化合物。合金元素的固溶强化、f e b 、f e 3 b 、 f e 3 ( s i ，b ) 等合金相的弥散强化、细晶强化、马氏体相变硬化等因素的综合 作用提高了渗硼层的硬度及高耐磨性，同时由于原始的碳化物发生溶解某 些耐腐蚀元素( 如c 、b 、s i ) 可固溶在奥氏体中或形成合金相以及表层组织 细化区的超细化隐晶马氏体为过饱和固溶体，也提高了渗硼层的耐磨蚀性 能。而乔学亮等人【3 9 。4 0 】则利用b ( c 2 h 5 ) 3 和b ( c h 3 0 ) 3 有机物作为渗硼介质进 行等离子辅助( p a v c d ) 渗硼，在一定的工艺条件下可以得到均匀致密的 渗硼层，这与国外以硼酸三甲脂有机物为渗剂的离子渗硼工艺研究【4 l l 相 似。 1 2 6 电子束渗硼和激光渗硼 近年来，在材料表面处理工程领域中出现了用电子束和激光束作为热 源，对工件表面渗进各种化学元素的表面处理方法，渗硼就是这方面的具 体应用。与其它渗硼技术相比，电子束和激光渗硼工艺具有能量密度高、 加热时间短、工件变形小等优点，尤其适用于局部渗硼处理，在工艺上具 有操作方便、易于实现自动化、无公害、可节省能源等优点：在性能方面渗 硼层具有高硬度、高耐磨性和高抗腐蚀能力。电子束和激光渗硼作为一项 新技术，尚处于开发阶段。 s i z o v 通过对比发现，传统工艺获得的渗硼层在7 0 0 时开始产生裂 纹，利用电子束渗硼可以保证切削刀具高达9 0 0 时的高温性划托l 。而e u h 则在t i 6 a 1 4 v 合金上进行电子束渗硼，表面得到的1l m m 一1 5 r a m 深、 均匀无缺陷的t i b 大大提高了室温硬度和高温硬度，耐磨性能提高了2 3 倍【4 ”。体现出该电子束渗硼技术良好的应用潜力。 激光渗硼技术也得到了逐步发展。它是以激光为热源对工件表面渗入 硼及其它元素的表面处理方法。王晓敏等1 对4 5 钢进行了激光渗硼，研究 了渗硼层的显微组织及相结构。而c o r d i e rr o b e r t z e 在贝氏体钢上进行激光 硼氮共渗，并利用m o s s b a u e r 谱和x 射线衍射分析发现了f e 3 ，n ) 和马氏 体相，为表面性能的改善提供了合理的解释“”。 1 2 7 自蔓延高温渗硼 所谓自蔓延高温渗硼就是以强放热的化学反应为热源，利用化学反应 强崩太学王程磋士学捷论文 所释放的高能化学热对工件表面进行快速加热，通过高温下渗硼介质与工 件表面的相亘作用，直接在工件表伺形成共晶组织的渗硼层“”。在远高于 常规渗硼的高温作用下，一方面渗硼介质与工件表面发生惠接反应生成硼 化物，完成硼元素由渗剂向工件表面的转移。另一方面，硼化物与y - f e 发 生共晶化反应，在m 件表面形成微熔薄层，使硼的扩散与转移均在液相中 进行。由于物质在液相中扩散转移的速度远大于它在闲相中扩散转移的速 度，因此，使渗硼的工艺周期大大缩短，渗硼速度驻著提高。 共陪化渗硼技术最早起步予日本与前苏联，国内韵研究翊开始子8 0 年 代初期，经过近十多年的深入研究，这一技术己经取褥7 很大的进展。资 料赢自蔓延高澈渗硼的共蘸住研究中避过计算，骈乖j 掰的铝燕反应酶理论 最离温3 1 4 8 k “”，完全可敬使基体奉毒科表露熔纯，遂蔼大大提菇渗蠲速 度。文献“铡粥系统研究74 5 钢、t 1 0 钢静蠡蔓延离温渗秣敬组织结掏、 梳理帮性麓。 1 3 渗糯屡 1 3 1 硼纯糖静基本特性 硼钝物豹形残、形态、耪组成、辱度与渗硼套质、基体朗化学残份、 渗硼方妓、渗硼温度嬲保激对阅等因素都寅密切的关系。根攒铁硼二元 织图( 曼图1 3 ) 可知，硼在铁中的溶解度摄低，农9 1 2 时，硼在- f e 和 y - f e 中的含量分别为0 0 0 2 筹o 0 0 1 ；在共晶温度1 1 6 1 下，y - f e 中的 硼禽量为o ，0 2 左右。硼在铁中的含量超过极限值后，袁面将形成硼化物。 硼的原子半径为o 0 8 2 n m ，略大予碳和氮的原予半径( 分别为o0 7 7 n m 和 o 0 7 5 r i m ) 。因此与过渡族金属形成的化合物也具有复杂的晶体结构，硬度 高，热稳定性好，高于相应的碳化物和氮化物。硼和铁可形成f e b ( 相) 和f e 拂( e 相) 两种化合物，其物理性能见表1 也。f e a b 脆性较小， 而f e b 脆性则较大。农共晶温度1 1 6 1 下，发生如下共晶反应： l ( 3 8 争撕) ) ；一y ( o o 撕( b ) ) + f e a b 。 ( 1 1 1 ) 。公式中w ( b ) 表示b 的质蠡分数。 汤光平：金属材料表面潘硼后的激光重熔 钢中熔入微量的硼，能够显著提高钢的淬透性，因此渗入少量硼的渗 硼过渡区也能够提高淬火后的性能。硼以间歇固溶方式溶于n f e 中，形成 含硼铁素体，硼以间歇和置换两种方式溶入y f e 中形成含硼奥氏体。因此 硼在奥氏体中的扩散速度高于在铁索体中的扩散速度，所以渗硼一般在高 温奥氏体相区内进行。凡是缩小奥氏体相区的元素( 如s i 、c r 、w 、m o 、 v 、t i 、a i ) 都减缓硼在铁中的扩散系数，减小渗硼层的厚度。硼还可与这 些合金元素形成合金硼化物。虽然f e b 和f e 2 b 中不能溶解碳，但可出现 f e s ( c ，b ) 和f e 2 3 ( c ，b ) 6 两种碳化物。硼在f e 3 ( c ，b ) 中最多可以 置换8 0 的碳原子，而不改变渗碳体的晶体结构，f e 2 3 ( c ，b ) 6 相( t 相，面心立方点阵结构) 在9 6 5 以上不稳定，转变为f e s ( c ，b ) ，因此 渗硼温度超过该温度时，渗层中不会出现f e 2 3 ( c ，b ) 6 相。 1 0 靼琏太学工程蘸士学经谵文 1 3 。2 渗硼屡的形态 渗硼层的形态随渗硼剂的活性、渗硼工艺、渗硼用钢等因素而变化， 主要根据硼化物的种类、形状、数量及其完整性加以划分。渗硼层的形态 大体上w 分为a m 共1 2 种类溅【1 一： a 烈：f e b 单相，硼化物层硼针呈指状： b 、c 、d 型：f e b 、f e r n 敢相硼化物层，其中f e b 针依此减少。 e 、f 型：f e ：b 单相硼化物层，e 黧指状明短，f 型指状眈较平坦。 g 、h 、i 、k 型：不完整的f e 2 b 单相硼纯物层，硼针依诧减少。 j 型：鼹有扩散层，无硼仡物葳。 l 黧：f e b 、f e 2 b 黢福硼优杨屡，前沿汜较平趣，指状特鬣不硝显。 m 整：f e 2 b 单稽硼纯物层，静沿院较学毽，据状特征不鞠显。 在这些类黧中，e 鍪 最葑，其次秀d 、c 、f 型。 祝械工韭帮发蠢酶j b t 7 7 0 9 - - 9 5 渗硼屡显徽组织、凝度及攫深检测 方法中将渗秣层瓣形态翔缡为6 ；黪：( 1 ) 单辐蓼e 辫；( 2 ) f e b 、f 龟8 双糊，其中f e b 约占1 3 ；( 3 ) f e b 、f ( a b 双期，其中f e b 约占1 2 ；( 4 ) f e b 、f e 2 b 双棚，英中f e b 约蠢2 3 ；( 5 ) 拨状渗屡：( 6 ) 不完熬渗层。 1 3 3 渗硼朦弱缺陷 由予渗剡戏份、工艺规范和操l 乍方法的不当以及渗硼层本身哟有的特 性，渗硼屡形成过程中会产生一数缺陷，使渗硼层的质量下降，甚至严重 影响产鼎的寿命。常见的缺陷商以下几种： 1 3 3 。1 孔洞 孔洞大多集中在硼化物层的外表面，硬度较低，耐磨性熊较差。电镜 下有时在孔洞边沿还发现裂纹，它极有可舷发展成宏观裂纹，使渗层龟裂 或刹落，降低寝面耐磨性和抗腐蚀性能。中低碳钢特剐是硅钢渗硼层中昀 孔洞较多。渗硼剂活性不足、渗剂中有水分、工件表面锈蚀等都使渗层孔 洞增多。文献m ”认为，渗硼过程中，硅原子向过渡区扩散留下空位，这缝 空位向表滕迁移并褶互聚