（材料加工工程专业论文）cr12mov钢固体渗硼研究.pdf

郑州大学硕 ? 学位论文 摘要 摘要 采用正交试验方法，使用自配的固体粉末渗剂，对c r l 2 m o v 钢进行固体渗硼 试验。利用o l y m p u s ( b 一2 ) 金相显微镜、q u a n t a 一2 0 0 型扫描电镜、j s m 一6 7 0 0 f 型 扫描电镜、 v l o o o 显微硬度计，对渗硼层进行组织观察和相分析以及测试渗硼 层显微硬度。在室温条件下，在m 一2 0 0 型磨损试验机、m l l o o 型磨料磨损试验机 上进行渗硼层的磨损试验。在s x 2 1 2 l o 箱式电阻炉中进行渗硼层的后续热处 理。 试验结果表明：普通渗硼时，渗硼的优化工艺参数为9 5 0 7 h ；稀土硼共渗 时，渗硼的优化工艺参数为9 5 0 5 h ，稀土优化加入量为0 。3 。后续的热处理工 艺为9 7 0 淬火、2 0 0 网火。 无论是普通渗硼还是优化的稀土硼共渗，渗硼屡均由硼化物层和过渡区组 成。硼化物层均由f e b 褶、f e ：b 相、( f e 、c r ) 2 b 相、细小的( f e 、c r ) 3 c 相、 块状的( c r 、f e ) 。c 。相和岛状( f e 、c r ) 2 3 c 6 组成。过渡区均瞻块状( c r 、f e ) ，c 。 相、须状( f e 、q ) 2 b 相、岛状( f e 、c f ) 2 3 c 6 相、细小的( f e 、c r ) 3 c 相 及属氏体等组成。过渡区中碳化物及硼化物相的存在可强化和细化过渡区的组 织，提高过渡区对硼化物层的支撑作用，有利于硼化物层与心部的结合。 在相同的渗硼工艺条件( 6 0 0 l h 一9 5 0 5 h ) 下，优化的稀土一硼共渗层 比普通渗硼层增厚约1 5 ，且硼化物层中缺陷( 疏松、孔洞) 少，组织较致密。在渗 硼层的显微硬度方面，无论是普通渗硼还是优化的稀土一硼共渗，两者相比差别不 大，最高硬度都出现在次表层丽不是表层，渗层显微硬度都呈梯度分布，只是优化 的稀土一硼共渗层的显微硬度是平缓过渡，两普通渗硼层的显微硬度则是陡降 的，。脆性相比，优化的稀土一硼共渗层脆性( 1 级) 比优化的普通渗硼层脆性( 3 级) 低二个级别。在耐磨性方面，优化的稀土一硼共渗层比普通渗硼层高出约1 5 倍。 无论是普通渗硼还是稀土硼共渗，湿度都是最主要的影响因素。随着渗硼温 度的升高，渗硼层均增厚，同时也使渗层中疏松、孔洞增多。 对于普通渗硼和稀土一硼共渗，随着保温时间的延长，渗层增厚。但在5 h 保 温时间内，普通渗硼层增厚显著；超过这一保温时闻，随着保温时间的进一步延 长，渗层增厚不显著。而对于稀土一硼共渗，超过这保温时间( 5 h ) ，随着保温 时间的进一步延长，渗层增厚缓慢。说明稀土一硼共渗需要一定的保温时间与之 匹配，在匹配的保混时间内，才能充分发挥稀土的催渗作用，获得最佳渗层厚度。 基于此，在0 3 稀土加入量( 质量分数) 条件下，选择5 h 保温时间为宣。 在9 5 0 5 h 渗硼条件下，随着稀土加入量的增大，渗硼层增厚，在0 3 的加 入量时渗硼层厚度达到最大值( 9 0 址难) ，超过这一力鼹入量，渗硼层的厚度反丽减 薄。 对于普通渗硼，升高渗硼温度和延长保温时间都可增高渗硼层显微硬度。 对于稀土一硼共渗，在相同渗硼条件( 6 l h 一9 5 0 5 h ) 下，稀土加入量 超过一定值( o 3 ) ，硼层显微硬度则会下降。 在相同的磨损试验条件下，经6 0 0 lh 一9 5 0 5 h 渗硼后，优化稀土一硼 共渗层的耐磨性高于普通渗硼层。渗硼后，后续热处理工艺对渗硼层的耐磨性有 显著影响。在相同渗硼工艺( 6 0 0 l h 一9 5 0 5 h ) 和相同的磨损条件下，露经 9 7 0 淬火、2 回火处理，优化稀土一硼共渗层的耐磨性高于普通渗硼层。对 于稀土一硼共渗，在相同渗硼工艺( 6 0 0 l h 一9 5 0 5 h ) 和相同的磨损条件下， 郑州大学帧l j 学位论文 摘要 分别经过9 7 0 淬火、2 0 0 回火处理和1 0 3 0 淬火、5 0 0 回火处理，试验结果 表明：经过9 7 0 淬火、2 0 0 回火处理的渗硼层耐磨性高于经过1 0 3 0 淬火、 5 0 0 回火处理的渗硼层。也即，在相同渗硼工艺和相同磨损条件下，优化稀土一 硼共渗后再经9 7 0 淬火、2 0 0 回火处理的渗硼层，其耐磨性高于普通渗硼后又 经9 7 0 淬火、2 0 0 回火处理的渗硼层，也高于优化稀土一硼共渗的渗硼层，更高 于优化稀土硼共渗后再经1 0 3 0 淬火、5 0 0 回火处理的渗硼层。 c r l 2 m o v 钢渗硼层组织中出现的主要缺陷有：疏松、孔洞、内裂纹、渗层 不均匀。试验结果表明，影响渗层中疏松、孔洞的因素主要是：加热温度和稀土 加入量。过高的加热温度和过多或过少稀土加入量，都会导致渗层中出现大量的 疏松与空洞；而适量的稀土可有效地减少渗硼层中疏松、孔洞、内裂纹等缺陷。 关键词：c r l 2 m 。v 钢；固体渗硼；渗硼： 郑州大学硕l j 学位论文 a b s t r a c t t h ep a c kb o r o n i z i n go fc r l2 m o vs t e e li sc a r r i e db yo r t h o g o n a lt e s t s ，a j l db yu s e o fa g e n t sm a d eb ym y s e l fm i c r o s t r u c t u r eo b s e i n ga n dp h a s ea n a l y s i so fb o r o n i z i n g 1 a y e ra r en n i s h e dt h r o u g h0 1 y m p u s ( b h 一2 ) m i c m s c o p e 、q u a n t a 一2 0 0s e m 、j s m 一6 7 0 0 f s e m 、 h v 一1 0 0 0m i c r o h a r d o m e t e r t h ew e a rr e s i s t a n c ea r em e a s u r e dt h r o u g h m 一2 0 0w e a rt e s t e ra n dm l l o oa b r a s i v ew e a rt e s t e ra tr o o mt e m p e r a t u r e 。 f o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n ti sd o n ei ns x 2 1 2 1 0b o xs t o v e e x p e r i m e n t a lr e s u h ss h o wt h a t9 5 0 7 hi so p t i m i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o r g e n e r a lb o r o n i z i n g ；a n dw h i l e9 5 0 5 hi so p t i m i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o r r e - b o r o n i z i n a n da j lo p t i m u mv a l u eo ft h ea d d i t i o no fr ee l e m e n ti nt h ea g e n ti s 0 3 f o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s si sq u e n c h i n ga t9 7 0 a n dt e m p e r i n ga t 2 0 0 w h e t h e rg e n e r a lb o r o n i z i n go ro p t i m i z i n gr e b o m n i z i n gm i c r o s t r u c t u r eo f b o r o n i z i n gl a y e ri ss a m e ，b o r o n i z i n g1 a y e ra i ic o n s i s t so fb o r i d el a y e ra n dt r a n s i t i o n z o n e b o r i d el a y e rc o n s i s t sm a i r l l yo f f e b 、f e ? b 、 ( f e 、c r ) 2 b 、n n e ( f e 、c r ) 3 c 、 b l o c k ( c r 、f e ) 7 c 。a n da l i t t l e ( f e 、c r ) 23 c 6p h a s e s r r a n s i t i o nz o n ec o n s i s t s m a i n l v o f b e a r d ( f e 、c r ) 2 b 、b l o c k ( c r 、f e ) 7 c ：卜f i n e ( f e 、c r ) 3 c 、i s l a n d ( f e 、c r ) 2 3 c 6 p h a s e sa n dt r o o s t h e b o 血b o r i d ea n dc a r b o n i z a t i o nc a ns t r e n 础e na n dt h i nt h e m i c m s t m c t u r ea 1 1 di m p r o v eg r e a t l ys u p p o r to fb o r i d el a y e r ，m i sw i l lb e n e 瞰b i n d i n g o f t h eb o m n i z i n gl a y e ra n dm a t r i x u n d e rt h es 锄eb o r o n i z i n gp r o c e s s ( 6 0 0 5 h 一9 5 0 。cx5 h ) ， t h ed e p t ho f o p t i m i z i n gi 迮一b o r o n i z i n gl a y e r i si n c r e a s e dl 5i n c o m p a r i s o nw i t hg e n e r a l b o f o n i z i n g o m e r w i s e ，c o m p a r i n go p 血n i z i n gr e - b o r o n i z i n gl a y e rw i t hg e n e r a l b o r o n j z i n g l a y e r ， t l l em i c r o s t n l c t u r eo f b o r o n i z i n g c a s ea r e r o p t i m i z i n g r e _ b o r o n i z i n gi sm o r ec o m p a c ta n dt h e r ea r ef b w e rd e f e c t ss u c ha sp o m s i t va j l dh o l e w h e t h e rg e n e r a l b o r o n i z i n go ro p t i m i z i n gr e - b o r o n i z i n g ， t h ed i 强j r e n c e o f m i c r o h a r d n e s so fb o r o n i z i n g1 a y e ri sl i t t l e m i c r o h a r d n e s so fb o r o n i z i n g l a v e r d i s t r i b u t e s 伊a d a t i o n a l l y ，t h eh a r d e s tp o i n t sa p p e a ri n 山es e c o n dl a y e rw h i l en o ti nt h e s u r f a c el a y e r ，b u tt h em i c r o h a r d n e s sc u r v eo fo p “m i z i n gr e b o r o n i z i n gl a y e ri sm e l o w g r a d e ，w h i l et h a to fg e n e r a jb o m n i z i n gl a y e ri sh i g h g r a d e c o m p a “s o no nm e b r i t t l e n e s s ，t h eb r i t t l e n e s so fo p t i m i z i n gb o r o n i z i n gl a y e ri sg m d eo n e ，w h i l et e l a to f g e n e r a lb o r o n i z i n g1 a y e ri sg r a d et h r e e ，t h ef o r m e ri s1 0 、v e rt o wg r a d e st h a nm e1 a t t e l c o m p a r i s o no nt h ew e a rr e s i s t a n c e ，t h e 、v e a rr e s i s t a n c eo fo p t i m i z i n gb o r o n i z i n gl a v e r e x c e e dt h a to fg e r l e m lb o r o n i z i n g1 a y e rb yn f t e e nt i m e s w h e t h e rg e n e r a lb o r o n i z i n go r 0 p t i m i z i n gr e - b o r o n i z i n g ， t h eb o r o n i z i n g 伦m p e r a m r ei s a 1 1 i m p o r t a i l ti n n u e n c e f a c t o lt h em o r eb o r o n i z i n g t e m p e r a t u r e r a i s e s ，t 1 em o r ed e p t ho fb o r o n i z i n gl a y e ri n c r e a s e s ，a tt h es a m et i m et i l e r ea r em o r e p o r o s i t i e sa n dh o l e si nt h eb o r i d el a y e l w h e t h e r g e n e m lb o r o n i z i n g o r o p t i m i z i n gr e _ b o r o n i z i n g ， t h e d e p t h o f b o r o n i z i n gl a y e ri n c r e a s e sa sb o r o n i z i n gt i m el e n g t h e n s b u tf b tg e n e r a lb o r o n i z i n g ， t h e r ei so p t i m a lh o l d i n gt i m ef o rf i v eh o u r s ，w h i l eb o m n i z i n gt i m ep a s s e sb e y o n d f i v eh o u r s ，t | l ed 印t ho fg e n e r a lb o r o n i z i n gl a y e ri n c r e a s e ss l o w l y f o ro p t i m i z j n g 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i 己e b o m n i z i n g ，t h e r ei sa l s oo p t i m a lh o l d i n gt i m ef o rf i v eh o l l r s ，w h i l eb o r o n i z i n g t i m ep a s s e sb e y o n df i v eh o u r s ，t h e i n c r e a s i n gd e p t ho fo p t i m i z i n gr e i b o r o n j z i n g l a y e ri sa1 m l e ns h o w st h a to p t i m i z i n gr e 七o r o n i z i n gn e e d so p t i m u mb o r o n i z i n g t i m et om a t e ，w i t h j no p t i m 啪b o m n i z i n gt i m et h ed e p l l lw i l li n c r e a s eq u i c k l yt o o b t a i na 1 1o p t i m a ld 印t h b a s e do nt h i s ，u n d e ra d d i n go 3 ( 、v t ，呦，f i v eh o u r si s p e r f e c tc h o o s i n g u n d c rb o r o n i z i r 堰p r o c e s s6 0 0 l h 一9 5 0 5 h ，w i m 也ei n c r e a s i n go fr e e l e m e n ti nt t l ea g e n t ，m i c r o h a r d n e s so fb o m n i z i n gl a y e rw i l lm i s e ，w h e nt h ev a l u eo f a d d i t i o no fr ee l e m e n tr e a c h e s0 3 ，t h et h i c k e s td e p t h ( 9 0um ) w i l lo b t a i n ，b u tt h e v a l u eo fa d d i t i ( mo fr ee l e m e n tp a s s 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r b o r o n i z i n g ，t h cf o l l o w i n gh e a tt r e a 蛳e mp r o c e s sh a si n 日u e n c e o nw e a rr e s i s t a n c eo fb o r o n i z i n g1 a y e rg r e a t l ya f t e rt h es a m eb o r o n i z i n gp m c e s s ( 6 0 0 l h 一9 5 0 0 c 5 h ) a n du n d e rt h es 锄ew e a rt e s t s ，a f t e rq u e n c h i n ga t9 7 0 a n dt e m p e r in ga t2 0 0 ，t h ew e a rr e s i s t a l l c eo fo p t i m i z i n gr e b o m n i z i n gl a y c ri s b e t t e ft h a ng e n e r a lb o r o n i z i n gl a ) r e r f o rr e b o r o n i z i n g ，u n d e rt h es 锄eb o r o n i z i n g ， a f t e rd i m r e n tt r e a t m e n tp r o c e s ss u c ha sq u e n c h i n ga t9 7 0 、t e m p e r i n ga t2 0 0 a n dq u e n c h i n ga t1 0 3 0 、t e m p e r i n ga t5 0 0 ，t h ef o r m e ri sb e t t e rt h a nt h e l a t t e ri nt h ew e a rr e s i s t a n c e i naw o r dr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h es a l e b o r o m z i n ga n dw e a rt e s t s ，o p t i m i z i n gr e 山o r o n i z i n ga f t e rq u e n c h i n ga t9 7 0 a n d t e m p e r i n ga t2 0 0 ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo fb o r o n i z i n gl a y e ri sb e t t e rt h a n t h a to fg e n e m lb o r o n i z i n gl a y e ra f t e rq u e n c h i n ga t9 7 0 a n dt e m p e r i n ga t2 0 0 ， a n dt h a n t h a t o fo p t i m i z i n gr e - b o r o n i z i n gl a y e r ，a n dt h a nm a to fo p t i m i z i n g r e - b o m n i z i n gl a y e ra 矗e rq u e n c h i n ga t9 7 0 a n dt e m p e r i n ga t5 0 0 d e f e c t sa p p e a r i n gi nt l l eb o r o i l i z i n g1 a y e rc o n s i s tm a i n l yo f p o m s i t y 、h o l e 、i n n e r c r a c k 、u n e v e nd e p me t c r e s u l t so ft e s ts h o wa d d i n gv a l u eo fr ee l e m e n ta 1 1 d b o m n i z i n gt e m p e r a t u r ea r em 司o ri n n u e n c e f 如t o r s i m p r o v i n gt e m p e r a t u r e a 1 1 d a d d i n gm o r ea 芏1 dl e s sr ee l e m e n tw i ul e a dt oal o to fp o r o s i t i e sa n dh o l e s ，w h i l e a d d i n go p t i m a lr ee l e m e n tw i l lr e d u c ep o r o s i t i e sa n dh o l e s k e yw o r d s ：c r l 2 m o vs t e e l ；p a c kb o r o n i z i n g ；b o r o n i z i n g 郑重声叫 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下，独立撰写完成的，学位论文没有剽窃、抄袭 等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律 责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者：郝少祥 2 0 0 5 年8 月1 同 静 郑州大学硕士学位论文引言 引言 机械零件工具和模具在使用过程中除少数因脆断损坏外，大多数皆因疲劳或 磨损而失效，或因高温氧化以及介质腐蚀而不能继续使用。这些损坏，大多起源 于零件表面，或接近表面的地方。这是因为机器零件及工模具在承受外力时，通 常表面受力最大，因零件结构及工作条件等因素，所产生的应力集中，也大多发 生在表面上。这就使机器零件及工模具的表面比心部承受更为严酷的工作条件， 从而导致表面的早期被破坏。因此，要提高机器零件及工模具的寿命，必须在整 体强化基础上采取进一步强化表面的措施。化学热处理和其它表面强化处理，正 是为此目的而发展起来的金属学科的一个分支。 化学热处理是将工件置于含有某种化学元素的介质中加热保温，通过钢铁表 面与介质的物理化学作用，使某种元素渗入钢铁表面，然后以适当的方式冷却， 从而改变钢铁表面的化学成份与组织结构，赋予钢铁表面以新的物理，化学及机 械性能。按其作用，可归纳为两大类，即以提高工件表面的机械性能为目的的化 学热处理和提高表面化学稳定性为目的的化学热处理。属于前者的有渗碳、碳氮 共渗、渗氮等；属于后者的有渗铬、渗硅、渗锌等，有的兼而有之，如渗硼、硼 氮共渗，既提高了表面的耐磨性，同时又对酸度有一定的抗蚀性。 在化学热处理领域中，发展较早较成熟的主要有：渗碳、渗氮、渗硼三种工 艺。渗硼和渗碳、渗氮相比具有独特的优点：首先，渗硼在工件表面形成的硼化 物硬度非常高，可达h v l 8 0 0 2 3 0 0 ，这是其它工艺所不能达到的；其次，硼化物 层具有良好的稳定性，不仅对一些介质有抗蚀性，还有较好的抗氧化性和红硬性。 因此，渗硼作为提高工件表面强度的一种重要手段，不断地完善和发展，在生产 中得到了广泛应用。 长期以来，国内制砖模具多采用2 0 钢、2 0 c r 钢制造，再经渗碳、淬火工艺 处理或采用4 5 钢、4 0 c r 钢、t 8 钢、t 1 0 钢制造，再经渗硼、淬火工艺处理。由 于模具表面经渗碳或渗硼后，模具表面硬度与心部硬度相差悬殊，导致渗层剥离 脱落，致使模具使用寿命大为缩短。目前，改进的方法：采取与稀土共渗工艺或多 元共渗工艺。由于采用与稀土共渗或多元共渗的方法，会增加生产成本，且模具 表面硬度与心部硬度相差悬殊的问题，仍得不到有效解决，模具淬火变形大的现 象依旧，故一些生产厂家开始采用c r l 2 m o v 钢来制造制砖模。而采用c r l 2 m o v 钢制造制砖模，模具多采用1 0 3 0 淬火+ 三次5 0 0 回火处理或9 8 0 淬火+ 2 0 0 回火处理。由于模具表面硬度不高，模具表面磨损仍然严重，模具使用寿命大 为缩短，因此如何提高该种钢所作的制砖模的使用寿命? 一直是人们在努力解决 的问题。基于前人的研究成果，对c r l 2 m o v 钢所制造的制砖模具进行渗硼处理以 提高其表面硬度、强度和耐磨性，延长其使用寿命的做法不啻为解决这一问题的 一种途径或方法。但是在对c r l 2 m o v 钢制造的制砖模具进行渗硼处理之前，必须 清楚掌握c r l 2 m o v 钢渗硼，尤其是固体渗硼的特点和规律。本课题想通过对 c r l 2 m o v 钢固体渗硼的试验研究，总结出这种钢固体渗硼的特点和规律，找出适 宜于这种钢固体渗硼的最佳工艺以及与之相适应的最佳的热处理工艺和渗剂中 最佳的稀土加入量：同时研究稀土对固体渗硼的影响；以此研究成果来指导制砖 模具渗硼生产，最终解决制砖模具使用寿命的问题。 郑州大学硕士学位论文第】章文献综述 第1 章文献综述 1 1 渗硼的基本原理 1 1 1 渗硼过程中存在的化学反应 渗硼的基本原理与其它化学热处理的基本相同，也包括分解( 及其它化学反 应) 、吸附、扩散3 个过程。不同的渗硼方法，其分解出的活性硼原子的方法是 不同的，但硼原子被表面吸附和向内部扩散的过程是一致的。 1 1 1 1 固体渗硼存在的化学反应“1 ( 1 ) 以碳化硼( b ；c ) 为供硼剂，碳化硅为填充剂，应用最广的配方( 质量分数) 是 5 b 。c + 5 k b f t 十9 0 s i c ，其中氧来源于粉末间隙中的空气。渗硼化学反应为： k b f 4 = b nf + k f( 温度 5 3 0 ) 4 b f 3 + s i c 十4 0 2 = 2 b f 。f + b 2 0 ，+ 2 s i f df + s i 0 2 十3 c of b 4 c + 2 k f + s i c + 4 0 2 = b + b f 2f + b 2 0 。+ k s i o 。+ 2 c of 2 8 4 c + 3 b f 3 + 5 0 2 = 3l b j + 3 b f 2f + 2 b 。0 3 + 2 c 0f 以上反应中产生的b f 。可以直接分解出活性硼原子：3 b f 2 = b + 2 b nf 上式反应中产生的b 。o 。又能分解或与b r 和s i c 反应生成b f 2 和 b ，为渗硼剂 的重复使用提供了条件：2 b 。0 3 十2 b f 产3 b ：o ，+ 3 rf 3 b ：o 。= 2 b ：o 一2 b 4 8 2 0 3 + 6 s i c + 6b f 二1 1 b + 3 b f 。f + 3 s i 0 2 + 3 s i f 。+ 6 c 0f 上述反应式中产生的活性 b ，被钢铁表面吸附，通过扩散渗入表面形成渗硼层。 ( 2 ) 以硼铁为供硼剂，氟硼酸钾为活化剂，碳化硅为填充剂。该种渗硼剂的化学 反应如下： k b f t = b rf + k f ( 温度 5 3 0 ) 6 k f + 4 f e b + 3 s i c + 6 0 2 = 2 b f 。f + 2 f e 2 b + 3 k 2 s i 0 3 + 3 c of 2 b f 3 十4 f e b 十3 0 2 = b f 2f + 2 8 2 0 3 + f e 2 b + 2 f e f 2 ( 3 ) 以硼砂为供硼剂，氟硼酸钾为活化剂，碳化硅为填充剂。其化学反应如下： n a 2 b 。0 7 十2 s i c = n a ：o 2 s i 0 2 + 4 b + 2 c 0f n a z 融0 7 + s i c = n a 2 0 2 s i 0 2 + 4 b + c 0 2f + 0 2f 1 1 1 2 液体( 盐浴) 渗硼存在的化学反应“3 盐浴渗硼是使硼砂在高温熔融状态加上还原剂的作用而析出活性硼原子的 过程。在7 0 0 一l o o o 范围内硼砂的热分解反应如下： n a 2 8 4 0 7 = n a 2 0 十2 8 2 0 ：l b 。魄+ s i c = c 0 + s i o ，2 b b z 0 ，+ 3 b t c = 3 c 0 2 + 1 6 b 电解渗硼时，在9 5 0 左右熔融的硼砂中，发生热分解和电离作用过程反应如 下”1 ：n a 2 8 4 0 7 一n a 2 0 + 2 8 2 0 l n 钆b 4 0 7 2n a + + b 。0 ，一 在电解过程中，阴极表面的反应： n a + 十e ( 负离子) 一n a ( 新生钠原子) 8 n a + b 。o 。一3 n a 。o 十2 b ( 新生硼原子沉积到工件表面) 在电解过程中，阳极表面的反应：良o 。一一战o ，+ 2 e 一 2 b 。0 t 一4 b z o o 。f 1 1 1 3 气体渗硼存在的化学反应“3 2 一。一t 、 ；赣簇霹童纛j蓬落，j 懑豢。麓鬣隧藩菱l ；| | 黧蛰 郑州大学硕上学位论文第1 章文献综述 气体渗硼是将工件密封在渗硼缸中，加热至渗硼温度，以氢气作为载流和稀 释气体，将三氯化硼( b c u 和乙硼烷( b 。h 6 ) 等渗硼剂通入缸内。可能发生的 反应为： 一是b c l 。与工件表面接触时发生热分解，产生新生的硼原子和氯原子。 b c l 。一3 c 1 ：f + 2 b ( 硼原子沉积于工件表面) 二是b c l ：；与工件表面接触时，因工件表面的催化作用，b c l 。与h ：发生反应： 2b c l 一3 h 嫩龇址6 h c l + 2 b ( 活性硼原子沉积在工件表面) 1 1 2 渗硼层的形成机理 渗硼过程就是硼进入铁及一系列非铁金属材料表面的化学热处理过程。扩散 的硼和基体材料在相应温度下形成了由一个或多个金属间化合物相组成的化合 物层，即所谓渗硼层。和其它化学热处理一样，渗硼的过程可视为由多个子步组 合而成的过程。 1 1 2 1 供渗剂中的硼向铁表面的转移 早期的工作表明”。：用固体渗硼剂渗硼是以固体的扩散来实现的。这种固相 的直接硼转移虽然原则上是可能的，但不是惟一的途径。实际上硼的转移是通过 化合物分解出的活化硼原子直接进入或者通过气相化合物与材料表面的铁直接 反应来实现的。 1 1 2 2 铁表面硼化物的形成 近期关于非合金钢( o 9 ) 样品在碳化硼快速加热后形成相的研究表明“1 ：在 存在气相硼化物时，通过化学反应在基体表面直接形成了硼化物。硼化物的成核 过程类似于铸件再结晶时树状晶的形成，是在任意方向的，而生长择优于一定方 向。择优方向为硼化物的 晶向。1 ，渗硼层的生长主要依靠硼原子沿 晶 向扩散，属晶内扩散。对扩散过程进行模型处理后，得出渗硼层生长的动力学过 程具有抛物线规律。并已观察到随着渗硼时间的增加，其核的数量倍增直至在表 面形成一层连续致密层。渗硼层的组成取决于渗硼剂的渗硼能力并且也和待渗硼 的基体材料有关。 文献 8 采用单向减薄制样法在透射电镜下直接观察了2 0 钢渗硼初期硼化 物的形核和生长特性及室温形变的影响。其结果发现，硼原子具有极强的向晶体 缺陷、特别是向晶界偏析的倾向。该文献作者结合t e m 观察的结果，硼化物的形 成过程应分为吸附、形核及长大3 个阶段。即从渗剂中分解出来的硼原子或含硼 气态化合物，首先被吸附于试样表面。由于硼原子的晶界偏析性，被吸附在晶界 处的硼原子浓度远高于晶内，硼化物晶核优先在晶界处形成。待晶内的硼化物晶 核形成时，晶界的硼化物晶核已长到相当大的尺寸。而依靠化学反应原理直接在 试样表面形核的可能性不大，因为通过化学反应而形成的硼化物应具有时间上的 同时性和分布上的均匀性，而这与t e m 观察的结果是不一致的。 1 1 - 2 3 渗硼层的生长 渗硼层的生长主要和渗硼条件以及基体材料的组成有关。对于一个给定的钢 种而言，其渗硼层厚度取决于渗硼的条件，即由渗硼温度、时间以及供硼的介质 所决定。提高渗硼温度或提高渗硼能力均促进渗硼层厚度的生长。渗硼层厚度生 长的速率服从抛物线时间定律。由此规律性可以得出，渗硼层厚度的生长是由扩 散控制的。碳对非合金钢渗硼层厚度生长的影响为：在过共析钢中碳阻碍硼的 扩散并导致渗硼层厚度明显地减小。这种现象是由于奥氏体中硼的富集，减小了 碳在奥氏体中的溶解度，从而在硼化物齿前沿引起渗碳体的析出。在共析钢中碳 对可渗硼性的影响说法不一m ，。 郑卅i 大学硕士学位论文 第l 章文献综述 造成这种分歧的原因不仅归咎于不同的作者应用了不同的渗硼方法，而且也 有由于对一个齿状形成物其厚度的定义和测量方法的不同。碳不仅影响到渗硼层 厚度，而且也影响到渗层的形成。增加碳含量渗硼层的齿状退缩，硼化物末端变 圆。由于碳不能在硼化物中溶解，故它将从层内挤出。 渗硼层的生长过程可用图卜1 表示”。，从渗剂中分解出来的硼原子，首长在 试样表层的晶界处形成硼化物晶核，图卜1 a 的箭头表示各晶核沿着各自的 晶向生长： 晶向不垂于试样表面的晶核( 无效晶核) ，由于相互碰撞而停止 生长( 图卜l b ) ； 晶向垂直于试样表面的晶核( 有效晶核) 继续向里生长， 无效晶核将横向生长并很快在试样表面形成一连续层( 图卜l c ) ：有效晶核向里 生长的同时也横向生长。使硼化物齿变粗，从而形成了渗硼层特有的齿状形貌( 图 卜l d ) 。由渗硼层的生长机制可知，形核时试样表层形成的硼化物晶核数量越多， 垂直于试样表面向里生长的硼化物齿也越多，每个硼化物齿用于自身变粗的硼原 子数量相对减少，用于向前生长的硼原子数量增加，使渗层的生长速度加快。故 表层的硼化物晶核密度是渗硼层生长的控制因素。 a 一硼化物随机形核：b 一硼化物晶核沿 0 0 2 晶向生长： c 一无效晶核的横向生长：d 一硼化物有效晶核的连续生长 图卜1 渗硼层生长过程示意图，箭头所示为f e 。b 的 0 0 2 晶向 f i g l l s k e t c h so fb o r o n i z i n g1 a y e rg r o w s 文献”3 指出：渗层的形成主要发生在金属的表面和次表面，即硼原子在金属 表面发生化学反应并通过向内部扩散而形成金属化合物其扩散速度与起始阶断 的化学反应、渗剂活性、表面浓度等有密切的关系，也与金属的材质、表面状态、 处理温度、压力、时间等因素有关。文献 9 探讨了在实验条件 试样材料及尺寸 为：工业纯铁，1 8 哪术1 8 哪 1 0 唧；渗硼温度为：9 0 0 c 试样入炉；渗硼时间为0 5 m i n 、 1 m i n 、2 m i n 、3 m i n 、5 m i n 、1 0 m i n 、1 8 m i n 、3 0 m i 兀、6 0 m i n ，从试样入炉开始计时； 工艺考jb c i 。十m 气体渗硼，b c i 。浓度7 5 6 ，h ：流速o 1 c m s 。该工艺为获得双相 ( f e b + f e 。b ) 工艺。x 射线衍射分析实验条件为：m o 钯，未滤光，4 0 k v ，5 m a 。 用衍射仪记录谱线位置和强度 下渗层的形成过程。 在b c i ，+ 气体渗硼过程中，渗层可能是b c i 。、h 。与铁直接反应形成铁的硼化 物，也可能是b c i ，h ：反应分解出硼原子，扩散进入a f e 中。从f e b 相图( 图 卜2 ) 可知，硼在铁中的溶解度极低。9 1 3 0 c 时的溶解度为o 0 0 2 ，尽管表面能溶 解的硼原子很少，但仍是一个由少到多，由量变到质变的过程。当超过硼在铁中的 极限溶解度时，便开始形成的硼化铁晶核。从x 射线结构分析可以看出，表面首 先形成的是f e ：b 相。在获得双相的气体渗硼气氛中，当出现f e ：b 后，很快即有 f e b 相生成，即表明渗硼形核过程是符合相图、相律和反应扩散规律的。当扩散 进入表层的硼原子量达到8 8 时，便生成f e ：b ：当表层硼原子量达到1 6 2 时。则 4 卜旷八旷。陛旷陵旷。 郑州火学硕士学位论文 第1 章文献综述 生成f e b 。文献 9 作者认为，渗硼开始时，就在试样表面形成了f e 。( c 、b ) 、 f e b 、f e 。b ，随外界条件的改变( 硼源，渗硼温度、时间) 使得f e 。b ( 或f e b ) 生 长有利时，则f e ：b ( 或f e b ) 就优先生长。 1 1 3 渗硼层的组织结构 从f e b 系状态图可以看出，渗硼的渗层组织从表至里依次为f e b f e ：b 一过渡 层一心部基体组织。即由化合物层，过渡层和基体组织3 部分组成。图卜3 所示 为2 0 钢渗硼组织示意图。最表层为f e b 相，次表层是f e ：b 相，f e ：b 相的针尖端 深深地插入过渡区a 相。