（材料加工工程专业论文）45钢棒条固体渗硼工艺及性能的研究.pdf

摘要 摘要 振动筛分领域广泛使用棒条筛板，棒条筛板所用棒条主要为6 0 s i 2 m n 弹簧 钢，这种材料在使用过程中存在的一个主要问题即为棒条的硬度偏低，导致棒 条的使用寿命较短，严重影响棒条筛板的使用性能。渗硼处理能够明显提高材 料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性，用于棒条的处理能够提高棒条的表面硬度从 而可能有效地提高棒条筛板的使用寿命。 本文采用固体粉末渗硼法对4 5 钢进行渗硼处理，通过单因素试验及正交试 验优化了渗硼工艺参数以及自制渗硼剂配比。使用金相显微镜、扫描电镜和能 谱仪观察各试样的显微组织及表面形貌，测定渗硼层厚度和元素在渗层中的分 布。使用“三钾”试剂侵蚀渗硼层区分f e b 和f e 2 b 两种硼化物，并通过x 射线 衍射仪分析渗硼层物相结构。在显微硬度计下测量渗硼层硬度值，采用自制磨 料磨损试验机模拟棒条筛板工况进行磨损试验，根据试验结果分析了这种工艺 在棒条筛板上应用的可能。 试验结果表明：4 5 钢渗硼处理的理想工艺参数为：渗硼温度9 2 0 ，渗硼 时间6 h ，渗剂配比为：n a 2 8 4 0 71 0 ，k b f 41 0 ，n h 4 c 11 ，硅铁1 5 ，木炭 2 0 ，活性炭2 ，余量石墨。通过9 2 0 x 6 h 渗硼处理后可以获得厚度为13 4 9 m 的单相f e 2 b 组织，硼化物呈齿状分布。 渗层内b 元素由表面至心部呈阶梯状降低。c 、s i 元素在渗层表面含量较高， 硼化物层中含量则极低，而过渡层中出现两种元素富集的情况。硼化物层中b 、 f e 原子比例基本接近于1 ：2 ，说明渗硼层中主要存在f e 2 b 组织。 硼化物具有本质脆性，主要表现为剥落脆性，同时表面的疏松和孔洞也是 引发渗硼层高脆性的主要原因。经9 2 0 x 6 h 渗硼处理可以得到单相f e 2 b 渗硼 层，其最高硬度在1 3 0 0 1 4 0 0 h v o 1 ，渗硼处理后出炉空冷可以获得平缓的表层 硬度梯度，较低的渗层剥落脆性以及最佳耐磨性，低应力磨料磨损试验结果表 明其耐磨性是棒条筛板现用棒条材料6 0 s i 2 m n 的1 8 倍左右，证明这种材料可以 应用于棒条筛板上。 为降低渗硼处理成本，进行渗剂回收处理试验。使用添加3 0 新渗剂的回 收渗剂进行渗硼，能够获得厚度为1 2 8 9 m 的渗硼层，渗剂成本可降低约7 0 。 关键词：固体渗硼棒条筛板4 5 钢单相f e 2 b 脆性显微硬度耐磨性 l a b s t r a c t a b s t r a c t 6 0 s i 2 m t ls p r i n gs t e e l ，a st h em a i nm a t e r i a lo fb a r - s i e v ep l a t ei nv i b r a t i o n s c r e e n i n gf i e l dh a st h es h o r t c o m i n go fl o wh a r d n e s sw h i c hr e s u l t si ns h o r ts e r v i c el i f e o fb a r - s i e v e p l a t ea n di n f l u e n c e si t sp r a c t i c a lp e r f o r m a n c e b o r o n i z i n gc a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eh a r d n e s s ，w e a rr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e c o m p o n e n t i n c r e a s et h eh a r d n e s so fs u r f a c ea n dm a k ei tp o s s i b l et oi n c r e a s et h e1 i f e o f b a r - s i e v e p l a t e b o r o n i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n db o r o n i z i n ga g e n tf o r m u l ao f4 5s t e e lp a c k b o r o n i z i n gi nt h i sa r t i c l eo p t i m i z e db ym e a n so fs i n g l ef a c t o rt e s t sa n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s n eo b s e r v a t i o no ft h ec r o s s - s e c t i o nm i c r o s t r u c t u r e t h es u r f a c e m o r p h o l o g yo fs a m p l e sa n dt h et h i c k n e s so fa n de l e m e n t sd i s t r i b u t i o ni nt h eb o r i d e l a y e ri sf m i s h e dw i t ht h eh e l po fo p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y t h ef e ba n df e 2 bi s d i s t i n g u i s h e dt h r o u g h e r o d i n gt h eb o r i d el a y e rb y ”t h r e ek ”k i t ，a n dt h ep h a s es t r u c t u r eo fb o r i d el a y e ri s a n a l y z e db ym e a n so fx r a yd i f f r a c t i o n t h em i c r o h a r d n e s so fb o r i d el a y e r i s m e a s u r e db ym i c r o h a r d n e s st e s t e ra n dt h ew e a l - r e s i s t a n c eo fs a m p l e si st e s t e db yt h e l o ws t r e s sa b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n e w h i c hc a ni m i t a t et h ew o r kc o n d i t i o no fb a r - s i e v e p l a t e ，t h e na n a l y z e dt h ep o s s i b i l i t yo ft h i sp r o c e s su s e do nb a r - s i e v ep l a t eb a s e do n t h er e s u l t s t h er e s u l t ss h o w st h a t ：t h eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fb o r o n i z i n go n4 5 s t e e la r e b o r o n i z i n ga t9 2 0 。cf o r6h o u r s ，n a 2 8 4 0 710 ，k b f 410 ，n h 4 c 11 ， 15 f e r r o s i l i c o n , 2 0 c h a r c o a l ，a c t i v a t e dc a r b o n2 ，r e s i d u a lg r a p h i t e 1 1 1 e t h i c k n e s so fb o r i d el a y e rw h i c hi sd e n t a t ed i s t r i b u t i o na n dc o m p o s e dw i n lt h e s i n g l e - p h a s ef e 2 be a i lr e a c h13 4 i t mu n d e rt h eo p t i m u mp r o c e s s i n g t h ec o n t e n t so fbe l e m e n t ss h o w e dad e c r e a s e dt e n d e n c yf r o mt h es u r f a c et o c e n t e ro fs a m p l e ；t h ec o n t e n t so fc ，s ie l e m e n t sw e r eh i g hi nt h es u r f a c ea n dl o wi n b o r i d el a y e r w h i l et h ee n r i c h m e n to ft w oe l e m e n t sa p p e a r e di nt h ed e n s ez o n e s t h e r a t i oo fb ，f ea t o m si nt h eb o r i d el a y e ri sc l o s et o1 ：2 ，t h i st e s t st h eb o r i d el a y e ri s m a i n l yc o m p o s e do ff e 2 b a b s t r a c t a st h em a i n l yb r i t t l e n e s so fb o r i d el a y e r , s p a l l i n gb r i t t l e n e s si sc a u s e db yt h e n a t u r eb r i t t l e n e s so fb o r i d ef e 2 ba n dt h ep o r o s i t ya n dh o l e si nb o r i d el a y e r t h e b o r i d el a y e rc o m p o s e do fs i n g l e p h a s ef e 2 bw i t hm i c r o h a r d n e s sf r o m13 0 0 h v 0 it o 14 0 0 h v 0 iw a so b t a i n e da f t e rb o r o n i z i n ga t9 2 0 f o r6 h g e n t l eh a r d n e s sg r a d i e n t o fs u r f a c e ，l o w e rs p a l l i n gb r i t t l e n e s so fb o r i d el a y e ra n dt h eb e s tw e a rr e s i s t a n c ec a n b eo b t a i n e dt h r o u g hc o o l i n gi nt h ea i ra f t e rb o r o n i z i n go n4 5s t e e l ，n ew e a r e x p e r i m e n t ss h o w s 也a tt h ew e a rr e s i s t a n c ei s l8t i m e sm o r et h a nt h a to f6 0 s i 2 m n w h i c ha r eu s e da tt h ev i b r a t i n gs c r e e n s ot h e4 5s t e e lw i t hb o r o n i z i n gc a nb eu s e do n b a r - s i e v ep l a t e t h ep e n e t r a t i o nr e c y c l i n gt e s tw a sc o n d u c t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e t h i c k n e s so fb o r i d el a y e rc a nr e a c h1 2 8 1 a mb yt h eu s eo fr e c o v e r yp e n e t r a t i o nw i t h 3 0 n e vp e n e t r a t i o n , t h u st h ep e n e t r a t i o nc o s t sc a nr e d u c ea b o u t7 0 k e yw o r d s ：p a c kb o r o n i z i n g b a r - s c r e e np l a t e4 5s t e e l s i n g l e p h a s ef e 2 b b t t i e n c s sm i c r o h a r d n e s sw e a rr e s i s t a n c e 1 绪论 1 绪论 1 1引言 随着现代工业和科学技术的发展，对于产品的自动化、可靠性、耐久性的 要求越来越高，机械零部件的服役条件也越来越恶劣。工作在高速、高载荷、 高温、高腐蚀性环境下的零部件对材料表面使用性能的要求也更加苛刻。众所 周知，断裂，腐蚀和磨损是零件或构件在服役过程中的三种主要失效形式，由 此产生的经济损失非常惊人。这些失效现象大都发生在材料表面或由表面开始， 这是由于机械零部件在承受外力时，通常表面受力最大，因零件结构及服役条 件等因素，产生的应力集中多发生在表面上。在许多情况下，同时满足基体和 表面性能要求的材料经济成本都非常高，而表面技术的出现能够很好地解决这 一问题。 表面技术种类繁多，其中化学热处理是应用最广泛的表面技术之一。使用 活性介质包覆工件并对其进行热处理，通过元素渗入改变工件表层成分、组织 和性能的工艺称为化学热处理。渗硼技术是一种受到广泛关注的新兴化学热处 理技术。渗硼处理后表面硬度可以达到1 2 0 0 2 3 0 0 h v ，具有比渗碳、渗氮等热 处理方法更高的表面耐磨性【l 】，同时具有良好的耐蚀性，耐6 0 0 以下的氧化和 耐酸( 硝酸除外) 、碱的腐蚀。 振动筛是物料分级、脱水、脱介作业的机械，广泛应用于冶金、煤炭、石 油、化工、水利电力、交通运输等工业部门。在振动筛的应用中，筛板是其中 一个十分关键的部件，工作过程中要求其必须具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。 棒条筛板是一种广泛应用于实际生产的新型高效筛板，棒条采用一端固定，一 端悬臂的安装方式，将传统封闭型筛孔变为开放型筛缝，筛板的开孔率得到了 很大的提高。棒条筛板工作时处于悬臂状态的棒条会产生震动，因此其防堵效 果好，筛分量大，筛分效率高，其主要缺点有：筛条的振动引发其筛下物限上 率提高，降低了筛分精度【2 】，相对于普通筛板，棒条的磨损对其筛分精度的影 响更加严重，因此提高棒条的耐磨性能显得极为迫切。 渗硼处理可以显著提高材料表面硬度及耐磨性，效果优于渗碳，渗氮及碳 氮共渗工艺。为了提高筛板棒条使用寿命，减少设备维护时间，提高设备效率， 1 1 绪论 本课题拟通过对4 5 钢棒条固体渗硼的研究，寻找最佳的固体渗硼剂配比、渗硼 工艺以及渗后热处理工艺，提高表面耐磨性，探索其在棒条筛板上的应用价值， 以此研究成果指导棒条筛板生产，大幅度提高棒条筛板使用寿命。 1 2 渗硼技术简介 渗硼工艺历史悠久，自从m o s i a n 在1 8 9 5 年发表第一篇渗硼文章至今已经 有一百余年。二十世纪二十年代以后直至六十年代，关于渗硼工艺的研究有了 一定的进展，通过控制工艺可以保障渗层的厚度，但是渗硼剂价格极其昂贵， 且必须在高达1 0 0 0 11 0 0 的温度下进行渗硼处理2 0 h 以上。 此时，人们开始关注电解渗硼方法和盐浴渗硼方法，两种工艺迅速发展【3 】。 在应用的同时，研究者发现液体渗硼的温度高，硼砂对设备的腐蚀强，工件表 面渗后清理难度大。固体渗硼又重新得到重视，前西德的布莱梅硬化技术研究 所在此方面获得首次成功，首先采用氟硼酸钾作为活化剂，将渗硼温度降低到 9 0 0 以下。1 9 6 9 年以后，相继有一些日本、美国、苏联文章发表的专利，但渗 硼工艺仍有其不足之处，如：硼化物本身脆性大【4 】，易脱落：传统的渗硼工艺温 度高，能耗大，渗硼后零件变形较大。为了克服这些缺点，人们进行了大量研 究，并取得了一些成果。如：采取渗硼后进行真空扩散来获得单相f e 2 b 蟑】，渗 硼层的共晶化处理【6 ，7 】，采用共渗与复合渗工艺【8 ，9 】等来降低渗硼层脆性。 1 2 1 渗硼的方法 渗硼处理在长期的发展历程中，出现了许多种渗硼方法，按照渗硼介质的 不同形态，将渗硼方法分为液体渗硼、气体渗硼和固体渗硼。 1 液体渗硼 液体渗硼是将工件放置于熔融的盐浴中进行渗硼的方法。液体法具有设备 简单，操作方便，加热均匀且渗硼速度快，渗后可以直接淬火等优点，但液体 渗硼同样存在一些缺点，比如渗硼后粘附在工件表面的熔盐清理难度大，熔盐 严重腐蚀坩埚。 液体渗硼使用的盐浴有供硼剂、还原剂和添加剂三部分组成。硼砂是最常 用的供硼剂，提供硼元素。高温熔融状态的硼砂会发生部分热分解： n a 2 8 4 0 7 = n a 2 0 + 2 8 2 0 3 ( 1 1 ) 2 1 绪论 可以用活泼元素( a l 、t i 、s i 等) 和b 4 c 作为还原剂， 生成的b 2 0 3 还原，产生活性硼原子： b 2 0 3 + 2 a l = a 1 2 0 a + 2 b 】 在高温下将盐浴中 2 8 2 0 3 + 3 8 4 c = 3 c 0 2 + 16 b 】 b 2 0 3 + s i c = c o + s i 0 2 + 2 b 】 渗硼过程中，高温盐浴产生的活性硼原子吸附于工件表面， 硼化物： ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 与铁原子形成 【b + 2 f e = f e 2 b ( 1 5 ) 【b + f e = f e b ( 1 6 ) 2 气体渗硼 气体渗硼是将工件密封在渗硼缸内，加热至渗硼温度( 通常为9 5 0 c ) 同时 以氢气作为载流和稀释气体，将b c l 3 或b 2 h 6 等渗硼剂通入渗硼缸内的渗硼方法。 以b c l 3 为供硼剂的气体渗硼，可能发生两种反应： 1 b c l 3 与工件表面接触时发生热分解，产生活性硼原子和氯原子： b c l 3 - 2 b + 3 c 1 2 ( 1 7 ) 分解出的硼原子沉积到工件表面，而氯气和氢气化合生成氯化氢气体； 2 在b c l 3 和工件表面接触时，在工件表面的催化作用下，b c l 3 与氢气发生 置换反应，形成氯化氢气体以及活性硼原子： 2 b c l 3 + 3 h 2 6 h c l + 2 b 】 ( 1 8 ) 产生的活性硼原子进入工件表面。 由于含硼气体易爆且有剧毒，因此，气体渗硼时炉体必须密封良好，废气 必须通入装有水的收集器中或者烧掉。 3固体渗硼 使用固体渗剂将工件包覆，加热到一定温度后保温一段时间的渗硼方法称 为固体渗硼。相对于液体渗硼，固体渗硼法渗硼后表面清理难度低，对设备要 求低，适用于各种形状的工件且能够实现局部渗硼处理。固体渗硼缺点是工作 环境差，工人劳动强度大，热效率低。 以硼砂型固体粉末渗硼剂为例，渗硼过程中主要发生的化学反应见表1 1 ： 3 1 绪论 表1 1 渗剂中的主要化学反应 t a b1 1t h em a i nc h e m i c a lr e a c t i o n si nt h ea g e n t 序号 l 2 3 化学反应式 4 5 n a 2 8 4 0 t = 2 8 2 0 3 + n a 2 0 k b f 4 = b f 3 ( g ) + k f 2 8 2 0 a + 2 n a 2 0 + 2 b f 3 ( g ) + s i c = 3 b f 2 ( g ) + 2 n a b 0 2 + n a 2 s i 0 3 + c o ( g ) + b 】 3 b f 2 ( g ) = 2 b f 3 ( g ) + b 】 3 8 2 0 2 = 2 8 2 0 a + b 】 固体渗硼的化学反应如下；高温下硼砂发生热分解( 反应1 ) 生成b 2 0 3 ， 进一步与还原剂s i c 反应生成亚稳态的化合物b 2 0 2 ，渗硼温度下b 2 0 2 转变成 b 2 0 3 同时释放活性硼原子 b ，活性硼原子吸附于基体材料表面形成硼化物。此 外高温下k b f 4 发生分解( 反应2 ) 得到b f 3 ，进一步发生反应( 3 ) 生成b f 2 。 渗硼温度下b f 2 会向稳态b f 3 转变并释放出活性硼原子，活性硼原子不断吸附于 基体表面，逐渐向工件内部扩散，最终形成一定厚度的渗硼层。章为夷认为固 体渗硼时b f 2 气体在试样表面吸附和分解以及活性硼原子在渗剂中的直接扩散 是活性硼原子输送的两种方式【。 1 2 2 渗硼的基本原理 基体材料在一定温度下和扩散进入的硼原子共同形成由单个或多个金属间 化合物相组成的化合物层，即为渗硼层。渗硼过程可看作很多子过程的组合， 包括含硼介质分解的活性硼原子向工件表面迁移，表面硼化物的形成，渗硼层 向内生长。 ( 1 ) 硼由供硼剂向基体材料表面迁移 起初研究人员认为固体渗硼剂通过固体的扩散形成渗硼层【1 1 1 。目前普遍认 为硼的转移方式是通过化合物分解出的活化硼原子直接进入材料或通过气相化 合物与材料表面的铁直接发生化学反应【1 2 】。 ( 2 ) 表面硼化物的形成 通过与气相硼化物发生化学反应可以在基体材料表面直接得到硼化物。硼 化物可以在任意方向成核，而硼化物的生长具有一定的择优取向，择优方向为 硼化物的 晶向【1 3 l 。同时随着渗硼时间的增加，硼化物晶核的个数倍增，最 后在表面形成一层连续致密硼化物层。研究人员采用单向减薄制样法在透射电 4 1 绪论 镜下直接观察了2 0 钢渗硼过程发现，硼原子向晶体缺陷、特别是向晶界偏析的 倾向很强u 引。 ( 3 ) 渗硼层向内生长 渗硼层生长情况主要取决于渗硼处理条件以及基体材料的成分。同等条件 下，提高渗硼温度或渗硼剂的渗硼能力都可以增加渗硼层的厚度。渗硼层厚度 值增加速率符合抛物线时间定律，由此可知扩散是渗硼层生长的主要方式【1 4 1 。 研究认为在过共析钢中碳的存在显著降低渗硼层的厚度，这是由于硼原子在奥 氏体中富集引起奥氏体中碳溶解度降低，因而在渗硼层前沿出现渗碳体析出1 1 引。 渗硼层的生长过程可用图1 1 表示【1 5 】，试样表层的晶界处吸附渗剂中分解出 来的硼原子并首先形成硼化物晶核，图1 1 a 的箭头表示各硼化物晶核的 晶向； 晶向不垂于试样表面的晶核( 称为无效晶核) 在生长过程中会发生 互相碰撞而无法继续生长( 图1 1 b ) ； 晶向垂直于试样表面的晶核( 称为 有效晶核) 不会发生碰撞，可以持续向基体材料内部生长，无效晶核在碰撞后 将沿其他方向生长，直至试样表面形成连续的硼化物层( 图1 1 c ) ；由于有效晶 核在沿 方向生长的同时会向其他方向生长，从而形成了渗硼层特有的齿状 形貌( 图1 i d ) 。渗硼初期基体材料表面形成的硼化物有效晶核数量越多，垂直 于试样表面向心部生长的硼化物齿也越多，每个硼化物齿横向生长的空间越小， 用于向前生长的硼原子数量增加，使渗层的厚度增加。表层的硼化物晶核密度 是渗硼层生长的控制因素。 ( b )( c )( d ) 图1 1 渗硼层生长过程示意图 f i g1 1 s k e t c ho f b o r o n i z i n gl a y e rg r o w s 1 2 3 渗硼层组织及其类型 硼在铁中的溶解度极低，最大溶解度不超过0 0 2 。渗硼过程中渗剂产生的 活性硼原子扩散到基体材料表面，在表面形成含硼渗碳体f e 3 ( c ，b ) ，当渗入基 5 1 绪论 体表面的硼原子含量达到0 0 0 3 5 且温度在6 0 0 9 7 0 。c 范围内时，钢中即形成 f e 2 3 ( b ，c ) 6 特殊化合物，如果钢中含有合金元素，可能形成更复杂的合金碳硼 化合物【1 4 1 。由图1 2 可知，钢中渗入硼原子会导致f e f e 3 c 相图的a 啪线明显左 移。 l 1 4 0 0 l 蝴 1 2 i - ，1 1 0 0 鲁l o 髀 囊 孽 l 秘io 7 i ；i ；| f 。 n o ：o 0 4 1 万豇鬲 图1 2 硼含量对f e f e 3 c 相图的影响 f i g1 2 t h ee f f e c to fbo nf e f e 3 ce q u i l i b r i u md i a g r a m 观察f e b 相图( 图1 3 ) 可知，渗硼温度低于1 0 0 0 ，渗硼开始后活性硼 原子不断扩散进入基体材料表面形成固溶体，当材料中硼原子含量达到8 8 4 ( 叭) 时硼和铁即形成稳定的中间化合物f e 2 b ，当含量增加到1 6 2 3 ( 叭) 时， 开始形成高硼化合物f e b 。典型的钢件渗硼层为单一的f e 2 b 化合物齿状渗层或 者由内层f e 2 b 和表层f e b 构成的双相齿状硼化物层。很多合金元素如硅、硫、 磷、钨、钼、钒、钛等不溶于硼化物层，随着硼原子逐渐渗入被排挤至硼化物 前沿区域，在硼化物层的内侧出现碳及合金元素富集层，一部分不能及时迁移 至硼化物层前沿则在渗硼层中形成齿间组织【1 6 j 。 6 1 绪论 b ( 察，擅) r i 绰 啪 i l 盟 蕾 、 正 嚣k 枷 5 棚 i 么 l 墨叫 阁 文 墨 曼 h i彳 7 f一+ ll m 二 卜 巍 一i ；攀 i u ，l j - i 矗 - t r h 国 芷 i 9 i 缸， l a 硒日 mb + 一 瞎 ，口h 雌转t ， ，l 图1 3f e b 相图 f i g1 3 f e be q u i l i b r i u md i a g r a m 钢件渗硼后典型的显微组织从表面到心部，依次为f e b f e 2 b 一过渡层基体。 各个部分的显微组织特征与渗硼剂成分、渗硼工艺以及基体材料的化学成分有 密切关联。j b t7 7 0 9 - - 1 9 9 5 1 中把常见的渗硼层类型分为6 类，如图1 4 。 ( f ) 图1 4渗硼层类型( a ) 单相f e 2 b( b ) 双相，f e b 约占1 3( c ) 双相，f e b 约占1 2 ( d ) 双相，f e b 约占2 3 ( e ) 齿状渗层( f ) 不完整渗层 f i g1 4b o r o n i z i n gl a y e rt y p e s 7 1 绪论 1 2 4 渗硼层的性能 渗硼过程中，铁和硼主要形成两种化合物：高硼相f e b 和低硼相f e 2 b ，两 种铁硼化合物的物理性质见表1 2 【1 引。 表1 2 两种铁硼化合物的物理性质 t a b1 2 p h y s i c a lp r o p e r t yo ft w of e bc o m p o u n d s 钢的渗硼层指渗硼处理所得到的所有硼化物富集层，包含高硼相和低硼相。 钢铁渗硼后的表面渗硼层性能是很多因素综合作用的结果，其中铁硼化合物是 影响渗硼层性能至关重要的因素。钢渗硼层的性能特点如下： ( 1 ) 极高的硬度 由表1 2 可知f e b 的显微硬度为1 8 9 0 2 3 4 0 h v ，f e 2 b 的显微硬度为 1 2 9 0 1 6 8 0 h v ，渗硼层的硬度由两种硼化物的相对含量而决定。i c e l i k y u r e k 等 通过渗硼获得的显微硬度值高达1 9 8 0 h v t l 9 1 。 ( 2 ) 高的红硬性 铁硼化合物f e b 和f e 2 b 都非常稳定，具有良好的热硬性。钢件经渗硼处理 后，8 0 0 以下都可以保持很高的表面硬度。p x y a n 等研究了硼化物层的高温 硬度，发现在硼化物在室温下硬度为1 8 5 8 h v o 1 ，7 0 0 时硬度为3 5 0 h v o 1 当 温度达到9 0 0 ( 2 时硬度与基体硬度相当，达到1 1 0 h v o 1 ，即硼化物层高硬度特性 在9 0 0 c 高温下消失【2 0 】。 ( 3 ) 高耐磨性 渗硼后的钢件耐磨性非常高，特别是在低冲击力工况条件下，耐磨性优于 渗碳和渗氮处理的工件【2 1 1 。 ( 4 ) 良好的耐腐蚀性和高温抗氧化性 渗硼层可以耐酸( 除硝酸) 、碱腐蚀，表面渗硼处理后可以很好的保护工件， 提高抗腐蚀能力。高温下，渗硼层表面的铁硼化合物与氧反应生成硼酐b 2 0 3 ， 附着于工件表面，防止工件进一步氧化。 ( 5 ) 高脆性 渗硼层脆性比较大，由于硼化物本身结构属于脆硬金属化合物，加之硼化 物层一般较薄，与基体材料的结合方式主要是机械楔合，同时高硼相和低硼相 8 1 绪论 之间以及硼化物与基体材料之间的比容、线膨胀系数不同，在受力和温度变化 的情况下产生残余应力，增大渗硼层脆性。汤光平等通过研究说明渗硼层具有 高脆性，并分析了引发脆性的原因【2 2 1 。 1 3 渗硼热力学分析 本论文采用固体渗硼法，即将配置好的渗硼剂粉末装箱密封并放入箱式电 阻炉中加热进行渗硼处理。对于固体渗硼法来说，常用的供硼介质主要有b 4 c ， n a 2 8 4 0 7 ，b f e ，b 2 0 3 和非晶硼等，详见表1 3 。 我国硼铁资源丰富，硼铁行业具备一定的规模，多数固体渗硼剂选用硼铁 为供硼剂。硼铁中灿、s i 含量不能过高，否则将在渗层和基体之间出现触、s i 的固溶体软层。碳化硼是目前国内外广泛采用的一种供硼剂，其含硼量高达7 8 ， 少量碳化硼即可满足硼势要求，其本身具有还原性，属于优质供硼剂。碳化硼 硼势高，以它作为供硼剂进行渗硼处理易形成f e b + f e 2 b 双相渗层组织，这种双 相组织具有较高的脆性，同时，由于其价格昂贵，导致由它作为供硼剂的渗硼 剂成本居高不下。脱水硼砂和硼酐的含硼量高于硼铁，要使其中的硼转化为活 性硼原子必须要加入一定的还原剂，另外使用脱水硼砂和硼酐作为供硼剂进行 渗硼时渗剂结块问题严重，但脱水硼砂的价格低廉，如果能够添加合适的还原 剂和填充剂解决渗剂结块问题，渗硼成本将大大降低。使用硼砂作为供硼剂时， 易于获得单相f e 2 b 组织。非晶硼含硼量非常高，渗硼能力比结晶硼要强很多， 由于其价格非常昂贵，工业生产上很少使用它作为供硼剂。 表1 3 常见供硼剂 t a b1 3c o m m o na g e n t sf o rb o r o n 在渗硼过程中活化剂的主要作用就是与供硼剂发生化学反应，促使生成活 性硼原子，提高渗剂的渗硼速度口3 1 。渗硼采用的活化剂有氟硼酸钾、氟硼酸钠、 9 1 绪论 氟硅酸钠、碳酸钠、氯化铵等。当前国内外基本都采用氟硼酸钾作为渗硼处理 的活化剂，也有学者研究使用几种活化剂复合催渗，如在氟硼酸钾基础上添加 氯化氨【2 4 1 ，氟化钙、氟铝酸钠和氯化镁混合使用【2 5 】等。 在渗硼过程中与高价硼发生化学反应生成低价硼甚至活性硼原子【b 的物质 称为还原剂，主要用于以脱水硼砂或硼酐作为供硼剂的渗硼剂。还原剂可以直 接与n a 2 8 4 0 7 或b 2 0 3 发生化学反应，将高价硼还原成低价硼。硼砂型渗硼剂渗 硼过程中，还原剂的主要通过将气态b f 3 还原成亚稳相b f 2 ，b f 2 再发生分解反 应( 3 b f 2 - - 2 b f 3 + b 】) 产生活性硼原子，或者使b 2 0 3 、还原成亚稳相b 2 0 2 ，b 2 0 2 再发生分解反应( 3 8 2 0 2 - - * 2 8 2 0 3 + b ) 进行渗硼。s i 、c a 、a i 、m g 、r e 及其合 金均可作为固体渗硼剂还原剂，本文选用常见的s i f e 作为还原剂。 在渗硼过程中填充剂的主要作用是调整硼势，保持渗剂的松散性，防止渗 剂烧结。目前国内外广泛使用s i c 作为填充剂，它具有很好的热稳定性，且具 备还原性，也可作为活化剂使用，但是渗剂容易结块造成工件清理困难。经过 充分焙烧后的甜2 0 3 热稳定性好，不结块，是一种良好的填充剂。近年来很多学 者选择石墨粒作为硼砂型渗硼剂的填充剂，有效改善了渗剂结块的问题。薛文 功认为木炭可以有效改善渗剂松散性，防止结块，为保持渗剂具有良好的松散 性，加入2 0 3 0 的木炭是必要的【2 6 1 。郝少祥认为木炭加入量以高于1 6 为宜， 但同时也不宜过高【2 7 1 。武子衣等使用加入2 0 木炭的渗硼剂获得很好的渗硼效 果和渗剂松散性 2 引。本文选择加入木炭和石墨为填充剂，木炭加入量为2 0 ， 余量石墨。 通过查阅文献和相关资料，结合现有实验条件和应用目的，选用脱水硼砂 作为供硼剂，采用k b f 4 + n h 4 c l 复合活化剂，以s i - f e 为还原剂，填充剂使用石 墨和木炭。渗硼主要为化学反应的过程，对于渗剂可行性的分析可以借助于对 化学反应热力学分析来实现。为了便于分析，假设固体渗硼中的化学反应是在 恒温恒压不做功条件下进行的。根据热力学第三定律，用v a n th o f f 等温方程来 判断反应进行的方向和程度，该方程为： z s g = z 5 g o 坝砌q( 1 9 ) 其中： 厶卜温度为丁时反应的自由焓变； 厶g 口一一温度为丁时反应的标准自由焓变； 9 一温度为r 时任意时刻生成物与反应物的活度商 1 0 1 绪论 但是，由于实际体系极复杂，很难对它定量分析，而且方程( 1 ) 中r t n q 一 般较小，经验表明，厶g o 4 1 8 6 8 j m o l ，反应则不能正向进行【2 9 1 。这样即可采用厶g o 来估计渗硼过程中 反应能否自发进行。厶g o 可由下式计算： a g 。= ( 嘭g 。伪) ，一( 屏g 。仂) ， ( 1 1 0 ) 式中： 厶g ! o f t 。j 物质i 在温度t 下的生成自由焓5 p m 产物： 尺反应物； a ，尻化学方程中相应产物和反应物的系数。 固体渗硼，般在8 5 0 9 5 0 范围内进行，因此计算取1 2 0 0 k ( 9 2 7 。c ) 为参考温 度。有关物质在该温度下的厶g o ，摘自热力学数据手册 3 0 , 3 q ，分子式右上脚g 、 l 、s 表示该物质在1 2 0 0 k 时分别为气、液和固态。 固体渗硼过程中，固态物质分子热运动行程短，通过渗剂直接与工件表面 发生反应获得渗层是极其困难的。如果能够形成含硼的气态化合物不断碰撞工 件表面，其中能量较高的分子被工件表面吸附，通过自行分解或被某种物质还 原出活性硼原子，部分活性硼原子渗入扩散即可形成渗层。当表层形成连续的 硼化物后，渗硼过程则由硼原子扩散所决定。 供硼剂n a 2 8 4 0 7 在高温下开始分解生成n a b 0 2 、b 2 0 3 ，活化剂k b f 4 在7 0 0 开始分解，生成k f 、b f 3 。活化剂与供硼剂发生如下反应： 7 8 2 0 3 8 十6 k f g = 3 k 2 0 2 8 2 0 3 1 + 2 b f 3 9 xg 0 1 2 0 0 = - 5 8 5 4 6 0j m o l ( 1 11 ) 一方面，还原剂s i 等可将b 2 0 3 、b f 3 还原，产生活性b 原子，进一步与基 体表面结合形成硼化物，具体反应如下： b f 3 9 + 3 4 s i g = - 3 4 s i f 4 9 + b s 厶1 2 0 0 f 一1 4 4 4 4j m o l ( 1 1 2 ) 2 8 2 0 3 1 + 2 n a 2 0 1 + 2 b f 3 9 + s i 睦3 b f 2 9 + n a 2 s i 0 3 5 + 2 n a b 0 2 1 + b 8 厶g u l 2 0 0 = - 3 8 6 6 8 0j m o l ( 1 1 3 ) 2 n a 2 8 4 0 7 i + 3 s i s - 4 n a b 0 2 l + 3 s i 0 2 s + 4 8 5厶g 0 1 2 0 0 = - 1 0 0 3 7 5j m o l ( 1 1 4 ) b g + 2 f e 8 = f e 2 8 8 厶g o1 2 0 0 = - 4 5 7 4 2 5j m o l( 1 15 ) b g + f e 8 = f e b 8 厶6 , 0 1 2 0 0 = - 4 5 8 7 9 4j m o l ( 1 1 6 ) 但是，通过此途径产生的活性硼原子存在时间不可能太长，因为其周围存 1 1 1 绪论 在c 0 2 、h 2 0 、0 2 等氧化性气体，这些气体和活性硼原子发生如下反应： 4 b s + 3 0 2 路2 8 2 0 3 8 么g 0 1 2 0 0 - - 4 8 9 6 2 0j m o l ( 1 17 ) 2 8 5 + 3 c 0 2 9 = - b 2 0 3 s + 3 c o g 么g u l 2 0 0 = - 2 2 2 5 0 1j m o l ( 1 18 ) 2 8 5 + 3 h 2 0 9 = b 2 0 3 s + 3 h 2 9厶g u l 2 0 俨- 2 1 6 5 6 2j t o o l ( 1 1 9 ) 2 b s + 3 n a 2 0 8 = - b 2 0 3 8 + 6 n a g 厶g ”1 2 0 0 = - 11 4 3 8 6j m o l ( 1 2 0 ) 另一方面，还原剂可使b f 3 气体还原成低价氟化物，反应如下： 2 b f 3 9 + 2 s i s + 0 2 9 = s i f 4 9 + s i 0 2 2 b f g 么g 0 1 2 0 0 = - 5 7 8 3 0 2j t o o l ( 1 21 ) 生成低价氟化硼在钢件表面吸附后，可释放出活性硼原子，实现渗硼。 2 b f g + 2 f 舟f e 2 8 8 + b f 2 9 a g ”1 2 0 0 = - 1 0 18 7 1j m o l ( 1 2 2 ) 3 b f 2 9 + 2 f e 8 = f e 2 8 8 + 2 b f 3 9厶g u l 2 0 0 = 一1 4 0 9 8 6j m o l ( 1 2 3 ) 以上化学反应厶g o l 2 0 0 均小于- 4 1 8 6 8 j t o o l ，说明这些反应在1 2 0 0 k ( 9 2 7 。c ) 能够自发正向进行，即选取的渗剂组分可行。 渗硼过程中反应产生活性硼原子，这种活性原子能被金属表面吸附，然后 再扩散至表面下一定深度，形成渗层【3 2 。活性硼原子是高活性的，存在时间短 暂，活性硼原子被金属表面吸附形成渗层的概率较小。渗硼层形成主要形式应 该是：渗剂高温下发生反应生成气体含b 化合物，含b 的气体化合物被金属表 面吸附后发生反应，b 原子与基体结合，而后向基体材料心部扩散。结合本试验 渗剂，b f 3 、b f 2 、b f 等b 的气体化合物是硼原子由渗剂向基体材料传递的主要 介质，渗剂中首先形成b f 3 ，还原剂将b f 3 还原成亚稳态b f 2 或b f 后与基体材 料反应形成铁硼化合物，随着反应的进行硼原子向材料内部扩散而形成渗层。 渗硼常用钢材及渗硼效果如表1 4 所示，由表可知低碳钢渗硼效率最高，中 碳钢次之，合金工具钢渗硼效率最低，即随着碳含量，合金元素含量的增加， 渗硼效率降低，因此一般选取低碳钢或者中碳钢进行渗硼处理。棒条筛板的工 作条件要求棒条必须具备表面高耐磨性和较高的强度。由于低碳结构钢基体太 软，2 0 钢经9 2 0 c 渗硼处理后维氏硬度为1 3 7 h v o 1 无法为硼化物层提供有效 支撑，渗层剥落脆性非常高；工具钢中合金元素含量较高，部分合金元素不溶 于硼化物，增加硼元素的渗入阻力，大大降低渗硼层厚度，同时渗硼过程中容 易出现双相硼化物组织，渗层脆性较大；中碳结构钢经渗硼处理后，一方面可 以获得理想的渗硼层，另一方面基体强度可以满足使用要求，经9 2 0 渗硼处理 后基体材料维氏硬度为2 2 6 h v o 1 ，相对于2 0 钢有很大的提高。本文选用4 5 钢 作为基体材料，以获得较高的强度和表面耐磨性。 1 绪论 表1 4 渗硼常用钢材及渗硼效果 t a b1 4t h eb o r o n i z i n ge f f e c to fc o m m o ns t e e l 1 4 固体渗硼应用现状 固体渗硼能够获得高硬度的硼化物层，提高基体材料的表面硬度，同时渗 硼层摩擦系数低，具备良好的减磨、润滑作用，抗磨粒磨损、抗疲劳磨损以及 抗粘着磨损能力也很强。固体渗硼操作简便，对设备要求不高，在生产中应用 相对较多，并且取得了不错的效果。如米瑞才以硼铁为供硼剂，氟硼酸钾+ 氯化 铵为活化剂，木炭为填充剂配制固体渗硼剂对模具冷冲头进行了渗硼处理，获 得4 5 f e b + 5 5 f e 2 b 双相渗硼层，使用寿命提高了4 - 3 倍1 3 3 j 。朱杰武使用自制 的固体渗硼剂对热锻模具进行了固