（材料加工工程专业论文）低碳钢sma处理辉光膏剂离子渗硼的组织及性能研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 钢铁材料经渗硼处理后可显著提高耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性，降低渗 硼温度，改善渗硼层组织一直是表面工程研究领域努力的方向。本文针对表面机 械研磨处理( s u r f a c em e c h a n i a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ，简称s m a ) 后的低碳钢， 运用辉光膏剂离子渗硼技术，研究了6 0 0 、6 5 0 和7 0 0 下，不同保温时间下 的渗硼后的组织和性能。借助金相显微技术、扫描电镜s e m 和x 射线衍射分析技 术( x r d ) 对渗硼层的组织形态进行了分析；用显微硬度计对渗硼层的显微硬度和 渗硼层的深度进行了测量；并探讨了不同渗硼工艺条件下的低碳钢的耐磨性能， 获得主要结论如下： 不同工艺下表面渗硼层都是具有锯齿状或是针状的组织结构，但是经过表面 机械研磨处理后的表面渗硼层中以棕黄色的f e ：b 为主，渗硼层致密，疏松孔洞少， 而表面未机械研磨处理的表面渗硼层则是以深褐色的f e b 组织为主，表面渗硼层 则略显疏松。这说明表面机械研磨处理有助于改善渗硼层的组织形态，提高渗硼 的质量。 。 。x 射线衍射对表层相组成分析表明：表面机械研磨处理面和表面未机械研磨处 理面的渗硼层的组织均为f e b 、f e ：b 双相组织，但是表面未机械研磨处理后渗硼层 的化合物除了f e ：b 相以外，出现的f e b 相比表面机械研磨处理面相对要多一些。 显微硬度测试表明：渗硼后从表面到心部，硬度有明显的下降变化趋势，表 面机械研磨处理后的渗硼层的显微硬度高于表面未机械研磨处理试样，且硬度梯 度下降的较缓慢，观察显微硬度压痕四边完整，说明表面机械研磨处理使渗层的 脆性明显得到改善。 摩擦磨损实验结果表明：表面机械研磨处理试样的耐磨性明显高于表面未机 械研磨处理试样；而等离子辉光膏剂渗硼试样的耐磨性优于箱式电阻炉渗硼试样； 借助扫描电镜( s e m ) 观察磨痕形态，表面机械研磨处理等离子辉光放电渗硼层的 磨痕要细小、浅，很少量的犁沟，箱式电阻炉试样渗硼层的磨痕明显要更粗、更 深，并且出现较多的犁沟。 基于以上试验表明，通过表面机械研磨处理和等离子辉光放电渗硼相结合后 的渗硼工艺，渗硼层的组织和显微硬度都得到了改善，其耐磨性更为优良。 关键词：表面机械研磨，等离子辉光放电，膏剂渗硼，耐磨性 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew e a r - r 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 ea n dh i g ht e m p e r a t u r eo x d a t i o nr e s i s t a n c e o fs t e e lm a t e r i a l sa f t e rb o r o n i z i n gt r e a t m e n tc a nb ei m p r o v e ds i g n i f t c a n t l y , r e d u c i n g b o r o n i z i n gt e m p e r a t ea n di m p r o v i n gt h eb o r i d el a y e ro r g a n i z a t i o na r et h ed i r e c t i o ni n t h es u r f a c ee n 百n e e r i n gf i e l da l lt h et i m e i nt h i sp a p e r , t h eg l o wd i s c h a r g ep l a s m a b o r o n i z i n gw a su s e df o r1 0 wc a r b o ns t e e lw h i c hw a st r e a t e dw i t hs u r f a c em e c h a n i c a l a t t r i t i o nt r e a t m e n t b o r o n i z i n gp r o c e s sw a sr e s e a r c h e di n6 0 0 ，6 5 0 a n d7 0 0 w i t h d i f f e r e n th o l d i n gt i m e s m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c su n d e rv a r i o u sp r o c e s s e sw e r e o b s e r v e da n dm e a s u r e da n da n a l y z e dw i t hm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e s e ma n dx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) t h em i c r o h a r d n e s sa n dd e p t ho ft h eb o r i d el a y e r sw e r em e a s u r e d a n da n a l y z e dw i t ht h em i c r o h a r d n e s sm e a s u r e ；a n dt h e ns o m es p e c i m e n sw e r es e l e c t e d t ob ed o n ew i t hw e a r - r e s i s t a n c et e s t i n g m e a s u r e dt h ew e a r - r e s i s t a n c eu n d e rt h ep r o c e s s a n da n a l y z e dm e c h a n i s m sa b o u ti m p r o y i n gt h ew e a r - r e s i s t a n c e a n dt h em a i nr e s u l t s w e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： m e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o ns h o w e dt h a t ：t h es u r f a c eo f b o r i d el a y e r sw e r ej a g g e d o ra c i c u l a ro r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e h o w e v e r , a f t e rs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ， t h es u r f a c el a y e ro fb o r o n i z i n gw a sc o m p o s e do fb r o w n y e l l o wf e 2 bm a i n l y , t h eb o r i d e 1 a y e rw a sm o r ed e n s e ，l e s so p e n i n g s ，a n dt h es u r f a c ew h i c hw a sn o tt r e a t e dw i t hs u r f a c e m e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t t h eb o r i d el a y e rw a sc o m p o s e do fd a r kp u c ef e b o r g a n i z a t i o n sm a i n l y , t h e b o i l d e 1 a y e rw a sm o r el e a c h y t h i s s h o w e dt h a ts u r f a c e m e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n tc o u l di m p r o v eb o r o n i z i n gl a y e rm o r p h o l o g ya n di m p r o v e t h eq u a l i t yo fb o r o n i z i n g x r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h ep h a s eo nt h es u r f a c es h o w e dt h a t ： t h es u r f a c et r e a t e dw i t hs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n ta n dt h es u r f a c ew h i c h w a sn o tt r e a t e dw i t hw e r eb o t hc o m p o s e do ff e b ，f e 2 bb i p h a s eo r g a n i z a t i o n ，b u ti n a d d i t i o nt of e 2 bp h a s eo fb o 打d el a y e rc o m p o u n d s t h ef e bp h a s ew a sr e l a t i v e l ym o r ei n t h es u r f a c ew h i c hw a sn o tt od e a lw i t hs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t m i c r o h a r d n e s st e s t i n ga f t e rb o r o n i z i n gs h o w e dt h a t ，t h eh a r d n e s sd e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l yf r o mt h es u r f a c et ot h ec e n t e r t h em i c r o h a r d n e s so ft h eb o r i d el a y e r 仃e a t e dw i t hs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n tw a sh i g h e rt h a nt h es u r f a c en o t t r e a t e dw i t hs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t a n dt h eh a r d n e s sg r a d i e n td e c l i n e d s l o w l y t h ef o u rs i d e so fi n d e n t a t i o nm i c r o h a r d n e s sw a si n t e g r i t y t h i ss h o w e dt h a t b r i t t l e n e s sc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb ys u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t i tw a sf o u n dw i t hw e a r - r e s i s t a n c et e s t i n g ：t h ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h es a m p let r e a t e d w i t hs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n tw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h es u r f a c e w h j c hw a sn o tt r e a t e dw i t hs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ；t h ew e a r r e s i s t a n c eo f t h es a m p l ew h i c hw a sb o r o n i z e di np l a s m ag l o wd i s c h a r g ew a sh i g h e rt h a nt h eo n e w h i c hw a st r e a t e di nb o x t y p er e s i s t a n c ef u r n a c e ；w i t ht h es c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) o b s e r v a t i o n o nt h es u r f a c eo ft h eb o r i d e1 a y e rs a m p l et r e a t e dw i t hs u r f a c e m e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ，t h eg r i n d i n gc r a c kw a st h i na n de x i g u o u s ，f e wa n ds m a l l 湖北工业大学硕士学位论文 q u a n t i t i e sf u r r o w sc a nb ef o u n d ，b u to nt h es u r f a c eo ft h eb o r o n i z e ds a m p l ew h i c hw a s t r e a t e di nb o x t y p er e s i s t a n c ef u r n a c e ，w ec o u l do b v i o u s l ys e e ：t h eg r i n d i n gc r a c kw a s t h i c ka n dd a r k ，m u c hm o r ef u r r o w sw e r ea p p e a r e d a ut h ea b o v et e s t ss h o w e dt h a t ：t h ec o m b i n i n go fs u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o n t r e a t m e n ta n dg l o wd i s c h a r g ep l a s m ac o u l db eu s e df o rb o r o n i z i n gp r o c e s s a n dt h e o r g a n i z a t i o n sa n dm i c r o h a r d n e s so fb o r o n i z i n gl a y e rc o u l db ei m p r o v i n g ，a sw e l la si t s w e a r - r e s i s t a n c e k e y w o r d s ：s u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ( s m a ) ，p l a s m ag l o wd i s c h a r g e ，p a s t y b o r o n i z i n g ，w e a r - r e s i s t a n c e i i i 湖彬j 棠大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者张节么殇、日期3 7 年s 月i 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者鲐- ，么，举 日期：。“7 年月 弓日 指导教师签名：辋r j 卅 嘣： 肌如 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 表面工程技术 1 1 1 表面工程技术的发展 表面工程是改善机械零件、电子电器元件基质材料表面性能的一门学科和技 术。对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性 及抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐 蚀介质工况下可靠而持续地运行。表面工程中的各项表面技术已应用于各类机电 产品中，可以说，没有表面工程，就没有现代机电产品。表面工程是现代制造技 术的重要组成部分，是维修与再制造的基本手段。表面工程对节能、节材、保护 环境、支持社会可持续发展发挥着重要作用。专家们预测，表面工程将成为2 1 世 纪工业发展的关键技术之一。表面工程己成为从事机电产品设计、制造、维修、 再制造工程技术人员必备的知识，成为机电成品不断创新的知识源泉旧1 。 表面工程概念的提出始于2 0 世纪8 0 年代。表面工程学科发展的重要标志是 1 9 8 3 年英国伯明翰大学沃相森表面工程研究所的建立和1 9 8 5 年表面工程国际 刊物的发行。1 9 8 5 年召开了第一届表面工程国际会议。1 9 8 6 年1 0 月在布达佩斯 召开的国际热处理联合会，决定接受表面工程学科并改名为国际热处理及表面工 程联合会。中国机械工程学会表面工程研究所于1 9 8 7 年在北京成立，1 9 8 8 年1 1 月在北京召丌全国首届表面工程现状与未来研讨会。同年创办了中国的表面工 程期刊，现改版为国内外公开发行的中国表面工程。1 9 9 3 年成立了中国机械 工程学会表面工程分会，以后在国内召开了多次国际和全国性的表面工程学术会 议。自“六五”计划以来，通过在设备维修领域和制造领域推广应用表面技术已 取得了几百亿元的经济效益。在国家的节能节材“九五”规划中建议将发展表面 工程作为重大措施之一，并列为节能节材示范项目32 硝面斗h 、声专 p 表面工程以各种表面技术为基础。国家自然科学基金委员会的自然科学学科 发展战略调研报告金属材料科学一书将表面工程技术分为三类，即表面改性、 表面处理和表面涂敷。随着表面工程技术的发展，又出现了综合运用上述三类的 复合表面工程技术和纳米表面工程技术，分类如下： 1 、表面改性通过改变基质材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层。 2 、表面处理不改变表面材质成分，只改变基质材料的组织结构及应力，达 湖北工业大学硕士学位论文 到改善性能的目的，不附加膜层。 3 、表面涂敷在基质材料表面上制备涂敷层，涂敷层的材料成分、组织、应 力按照需要制备。 4 、复合表面技术综合运用多种表面工程技术，通过发挥各表面工程技术的 协同效应达到改善表面性能的目的。 5 、纳米表面工程技术以传统表面工程技术为基础，通过引入纳米材料、纳 米技术达到进一步提升表面性能的目的。 1 1 2 表面工程的意义及应用 表面工程的推广应用非常适合我国国情，发展表面工程对促进国民经济的发 展和推进国防现代化，对于贯彻可持续发展战略具有十分重要的意义。 1 、表面工程与制造业技术创新：表面工程是针对零件表面失效的形成、特征 和机理，综合运用各种表面技术进行防护的工程。其最大的优势是能够以多种方 法制备出性能优异的表面功能薄层，使零件表面具有比基体材料更高的耐磨性、 抗腐蚀性和耐高温等性能，它具有优质、高效、低耗等先进制造技术的基本特点。 2 、表面工程与机械维修创新：科学技术的发展，使原先的原样修复变成为超 过原始性能的改进性修复，使原先的被动修理变为制造与维修，特别是针对设备 和零部件的设计与制造，形成了以优质、高效、节能、节材为目标的系统工程。 表面工程在维修中的运用，不仅保障了设备的正常运行，较好地解决了进口设备 配件问题，而且还为新一代产品的设计制造积累了丰富的经验。 3 、表面工程与高新技术产业的发展：采用气相沉积、电镀、刷镀、激光等表 面技术可以获得非晶态薄膜或涂层。非晶硅具有优良的光吸收能力，而且可以大 面积涂敷，成本也比较低，是理想的光电转换材料。 4 、表面工程与节约能源、资源：表面工程最大的优势是能够以多种方法制备 出优于基体材料性能的表面功能薄层，该薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅 占工件整体厚度的几百分之- n 几十分之一，但却使工件具有了比基体材料更高 的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能3 。 1 1 3 纳米表面技术对材料性能的影响 工程金属材料在工业上用途广泛、用量大，利用纳米技术提高工程金属材料 的综合性能和使用寿命有着巨大的应用潜力，自h g l e i t e r 教授利用金属蒸发一 原位冷压成型法制备出纳米材料以来n 引，人们又相继开发出许多制备方法，如非 晶晶化法怕1 、电解沉积法盯3 、机械研磨法3 和强烈塑性变形法。1 等等。 2 湖北工业大学硕士学位论文 表面机械研磨处理( s m a ) 技术能够在金属材料上制备出晶粒尺寸沿深度方向 连续变化的梯度结构n 2 删，使得在一块样品上研究形变诱发的纳米化机理和宽尺寸 ( 从纳米到微米) 范围内组织与性能的关系成为可能n 争1 6 3 。迄今，人们已对典型金 属等进行了研究，揭示了粗晶通过位错运动、机械孪生或者二者交互作用而逐渐 细化成纳米晶的过程。从大量统计结果来看，无论采用何种变形方式，s m a 样品的 晶粒尺寸沿深度方向均逐渐增大。但对于_ 多晶材料，其内部晶粒取向各异，在受 到同样载荷的作用下，不同晶粒内部开动的滑移系的数目存在明显的差异，从而 影响组织的均匀性。另外，对于工业上常用的金属材料，经过冷加工( 和退火) 后，普遍存在着择优取向( 即织构) ，由于织构不同而引起的可开动滑移系数目的 差异必定会影响纳米化的效果。表面纳米化对材料表面和整体综合性能的影响如 下： 1 、组织：经过s m a 后，样品表面附近发生了强烈的塑性变形，变形量随着深 度的增加而逐渐增加而逐渐减小，整个变形层的厚度可达到8 0 p r o 。 2 、硬度：表面纳米化使低碳钢的表面硬度明显提高，与未发生变化的心部相 比，表面硬度提高2 倍以上，而在表面至4 0 p r o 深处，硬度值也明显增大，随着深 度的进一步增加，硬度逐渐减小至与无应变的基体相同，表面硬度的升高可归因 于晶粒细化和加工硬化两种效应的共同作用。 3 ：耐磨性：表面纳米化可以增加材料表面的耐磨性。这主要是由于表面纳米 化处理增加了表面的粗糙度，随着制备技术的不断完善及表面光洁度的提高，经 过表面纳米化处理的材料表面的耐磨性有望进一步的提高。 4 、拉伸性能：经过表面纳米化处理，板材在整体强度提高的同时，伸长率下 降不大，说明表面纳米化处理能够有效地解决细晶强化与韧性下降之间的矛盾。 1 2 渗硼技术的研究现状 1 2 1 渗硼的历史和发展 自m o i s s a n n 7 3 发表第一篇钢铁的气体渗硼论文以来，渗硼工艺己有百余年的历 史，在以后的半个世纪先后研究了气体、液体和固体法等多种渗硼工艺。液体渗 硼由于所有柑锅使用寿命短、工件表面粘盐不易清理及质量较难控制等问题，应 用较少。气体渗硼和离子渗硼则采用的b c i 。、b 2 h 。介质，其存在价格高、剧毒、易 爆等问题，也未能广泛用于生产。从6 0 年代开始，人们开始重视固体渗硼，研究 内容侧重于寻找质量稳定、渗硼温度低、时间短、价格便宜的固体渗硼剂和渗硼 工艺。前西德布莱梅硬化技术研究所，首先采用氟硼酸钾作为活化剂，将渗硼温 湖北工业大学硕士学位论文 度降低到9 0 0 以下，并于1 9 8 6 年4 月取得固体渗硼剂e k a b e r l 、e k a b e r 2 、e k a b e r 3 和e k a b e r 4 的专利n 引，在国际市场上作正式商品销售。固体渗硼的目标是能保证 稳定渗硼质量，能降低渗硼温度，缩短处理时间，寻求价格便宜的新渗硼剂及更 合理的处理工艺。n 茏7 浅e 我国从5 0 年代开始研究渗硼工艺，1 9 5 6 年首次发表有关渗硼的学术论文，先 后研究过液体渗硼和膏剂渗硼。7 0 年代至9 0 年代前半期，国内主要进行了硼砂盐 浴渗硼的研究，并成功地应用于模具和部分易磨损件。随后，集中在固体渗硼上 进行研究。1 9 7 5 年开始研发粉末渗硼剂、粒状渗硼剂等，且发展比较迅速。目前 有关渗硼剂和渗硼工艺的研究已经比较成熟，在生产上的应用也日益广泛。 我国在9 0 年代初期开始相关等离子辉光膏剂渗硼的研究，其目的是为了提高 渗硼速度，降低渗硼温度，改善渗硼层的组织和性能。 1 2 2 常规渗硼工艺的特点 目前，渗硼工艺主要有固体渗硼、液体渗硼和气体渗硼等工艺： 一、固体渗硼 固体渗硼包括粉末渗硼、粒状渗硼和膏剂渗硼。固体渗硼处理不需专门设备， 操作方便，渗后容易清理，适用性强，便于推广：但拆装箱劳动强度大，工作条件 差，渗剂成本也高，对工件处理时，渗剂必须填满渗箱，渗剂浪费严重，另外粉 末介质热导性差，加热时间长、耗能高，功效低，对大型件的处理颇感困难，渗 后工件不易取出，难以进行渗后的直接淬火处理。粉末渗硼剂在处理工件时，易 形成对工件表面的粘结，影响工件的表面质量，同时处理完工件后，渗剂易结块， 影响渗剂的重复使用。粒状渗硼剂克服了粉末渗硼剂的不足，所处理工件的表面 光洁，渗剂松散，还可重复使用。膏剂渗硼是固体粉末渗硼的发展，其最大特点 是能方便地实现局部渗硼，渗剂的消耗小，加热时间短，效率较高。 渗硼剂的组成：固体渗硼剂也包括粉末渗硼剂、粒状渗硼剂和膏剂渗硼剂。 粒状渗硼剂和膏剂渗硼剂是在粉末渗硼剂的基础上再加入粘结剂分别制成粒状或 膏状。因此固体渗硼剂一般由供硼剂、活化剂、填充剂、还原剂、粘结剂组成铲2 引。 供硼剂是渗硼剂中提供活性硼原子的组分。主要供硼剂有：非晶质硼( b ) 、碳 化硼( b 。c ) 、硼铁合金( f e - b ) 、硼酐( b 。0 。) 、无水硼砂( n a 。b 。0 ，) 等。 活化剂在渗硼过程中，与供硼剂进行化学反应，产生气态化合物，促进活性 硼原子的产生，加速渗硼过程。主要有：氟硼酸盐( k b f 。、n a b f 。、l i b f 。等) ，氟化物 ( k f 、n a f 、a i f 。、c a f ：等) ，碳酸盐( ( n h 4 ) 。c o 。、n h 。h c o 。、n a 。c o 。等) ，氯化铵( n h 。c 1 ) ， 冰晶石( n a n i r 或n a 。s i f 。) 等。 4 湖北工业大学硕士学位论文 填充剂是渗硼剂中的载体，可调节硼势，防止烧结，它还可以减少供硼剂和 活化剂的用量，并使渗硼件与渗剂均匀接触，保证渗硼层的均匀性。填充剂主要 有：碳化硅( 绿色s i c ) ，碳( 木炭、石墨、活性炭) 三氧化二铝( a l ：0 。) 等。 还原剂是在渗硼过程中与高价硼反应，生成低价硼或活性硼原子的组分。以 硼砂为供硼剂的固体渗硼剂所添加的还原剂主要有：s i 、c a 、a 1 、m g 、r e 及其合金。 粘结剂是使渗硼剂制成粒状和膏状所需的粘结组分。主要粘结剂有：硅酸乙醋 水溶液、聚乙烯水溶液、松香酒精溶液、文具胶水、梭甲基纤维素水溶液等。 固体渗硼是发展较快的渗硼工艺，有填充法和膏剂法两种，填充法是将工件 埋入填充粉末或是粒状渗硼剂的渗箱中，加盖密封后或是不密封加热渗硼。我国 开始主要用高硼硼铁( b 2 0 ) 为供硼剂，比较容易得到脆性小的单一f e 。b 组织， 成本比碳化硼低。我国先后还研制一些硼铁型粉末渗硼剂，如表卜l 乜3 3 ： 表卜1 国内部分粉末渗硼剂的成分 为降低渗硼剂的成本，我国还首先研制出以硼砂为供硼剂的粉末和粒状渗硼 剂，选用合适的活化剂和还原剂配合，硼砂型渗硼剂在渗硼速度和控制渗硼层组 织方面都比碳化硼、硼铁好。固体渗硼多用( 8 4 0 8 6 0 ) ( 3 h - - 一6 h ) 的工 艺。硼化物层深6 0 p m 1 5 0 p m 。为了满足大磨损量的需要，国内外开发一些硼化层 厚度可达到2 0 0 啪3 0 0 m 的深层渗硼剂心3 。深层渗硼除要求渗硼剂活性外，主要 是提高渗硼温度在9 5 0 以上，和延长扩渗时间大于8 h 。 二、液体渗硼 液体渗硼一般是采用以硼砂为主的熔融盐浴，分非电解和电解法两种。硼砂 熔盐中浸盐，然后在熔融铝中还原的渗硼方法，是非电解硼砂盐渗硼派生的方法。 1 、盐浴渗硼在硼砂熔盐中，加入比硼活泼的元素或它的化合物作为还原剂， 将熔盐中硼砂热分解产生的b ：0 。还原，产生活性硼原子，实现渗硼。盐浴渗硼的还 原剂有碳化硅、铝、硅铁、硼铁、硅钙合金等。为了提高盐的流动性，渗硼盐浴 湖北工业大学硕士学位论文 常加入一定比例的n a c l 、n a f ；n a ：c o 。等盐作为稀释剂。表卜2 乜钔列出一些常用的 渗硼盐浴。 表1 - 2 渗硼盐浴的成分和性能 盐浴渗硼，渗剂价格便宜、成本低，原料供应充分，并且操作方便。但是存 在坩埚寿命短、盐浴流动性差、工件粘盐、不易清洗等缺点，影响盐浴渗硼的推 广使用。 2 、电解渗硼在硼砂熔盐中，以工件为阴极，石墨棒为阳极，在外电源作用 下，熔融的硼砂发生热分解和电解，在阴极( 工件) 上析出的钠将b ：0 。还原，生成 活性硼原子 b ，被工件表面吸收，扩散形成渗硼层。电解渗硼的电流密度为 0 1 a c m 2 - - 0 5 a c m 2 电压为l o v - - 一2 0 v ，于9 3 0 - - - 9 5 0 保温2 h - - - 6 h ，硼化层深可 达0 15 m m - - - o 3 5 m m ，电解渗硼比非电解盐浴渗硼速度快，但不适于形状复杂的工 件。 3 、在铝浴中对被覆硼砂件渗硼这种方法是将工件在熔融的硼砂浴中浸渍 5 m i n ，取出后于大气中悬挂2 m i n , - - 一3 m i n 。在确认工件表面具有均匀的硼砂被覆层 时，再将它移入熔融铝浴中，保持一定时间，靠铝还原反应生成 b 进行渗硼。从 铝浴中取出的工件再放在硼砂中做脱铝处理，最后进行淬火和清洗。经7 0 0 处理， 只能得到单相f e ：b 硼化层。而于8 0 0 , - - , 9 0 0 。c 经2 0 m j n 5 0 m i n 处理所得到的硼 化层均为f e b 和f e 。b 两相组成。随着处理时间的加长，f e b 相层逐渐减少，9 0 0 、 l o o m i n 处理后，获得的硼化层几乎是由单一的f e 。b 相组成。用这种方法可降低渗 硼温度，改善工件表面清理效果。 三、气体渗硼 气体渗硼是用氢气为载气，乙硼烷( b 2 h 。) 或三氟化硼( b f 。) 为供硼剂的气体 介质。由于b 。h 。等不稳定，易爆炸，有毒，易水解等原因，气体渗硼在生产上尚未 使用。 原苏联将工件置于无定硼的悬浮水溶液中，涂覆0 1 m m 4 - - o 5 m m 厚的无定硼， 然后在h 。中加热，得到f e ：b 单相的硼化层，硬度为1 3 0 0 h v - - - 1 5 0 0 h v ，这种工艺硼 6 湖北工业大学硕士学位论文 的利用率高，氢气耗量少，并可进行局部渗硼，没有环境污染。等离子气体渗硼 主要采用b 。h 。、b ：h 。+ h ：及b f 。+ h 。均得到较好的硼化层3 。 表1 - 3 陋刚气体渗硼剂成分及工艺 1 2 3 常规渗硼工艺的研究方向 随着人们对渗硼工艺深入研究发现，制约其使用的主要原因是渗层的脆性。 因此改善渗层脆性、提高综合性能是目前研究的主要方向。减少脆性途径很多， 从工艺上考虑大体有以下几种： 1 、力求获得单相渗硼层，由于f e b 相本身很脆，f e 。b 相与f e b 相比容和膨胀 系数不相同，产生不利的应力状态，使双相渗层脆性增大。因此希望得到单相f e ：b 组织或者以f e ：b 为主的组织。一般采用改善渗剂活性，调整渗硼工艺参数获得单 相组织。如采用添加稀土元素的方法促使f e 。b 柱状晶的形成和长大，减小了f e b 的形成倾向怛“。 2 、选用适当渗硼层厚度，具体多厚较适宜，要看零件的服役条件和失效形式。 如脆断或剥落，渗层可浅些：如需要抗磨料磨损时，希望渗层厚些。 3 、选择合适的渗硼工艺和渗后热处理工艺，渗硼工艺的选择要根据材料和零 件的失效形式而定，目标是获取单相组织。渗硼后的热处理主要是为了提高渗硼 件的基体强度。对于心部强度没有提出要求或要求不高，只需要提高表面硬度的 工件，渗硼后可以空冷或者箱冷。对于要求表面硬度高、耐磨性好，且心部具有 一定强度的渗硼件，渗硼后应进行淬火、回火热处理，加强对渗硼层的支撑作用， 但不易采用过高的加热温度和强烈的淬火介质。 4 、采用渗硼后扩散退火和共晶化处理，渗硼后扩散退火是在保护条件下，使 硼原子向内扩散，形成f e ：b 相，从而减少脆性。共晶化处理是对己渗硼的试样进 行加热，使表面获得铁与硼化物的共晶体的处理方法。随着渗层中共晶组织数量 的增加，工件承受冲击载荷的能力和渗层韧性均提高。 5 、采用复合渗工艺与a 1 、c r 、v 、t i 、n 等同时或连续渗入的方法，提高基 体强度和硬度，使渗层增厚、过渡层硬度梯度变缓，减小渗硼层的剥落倾向。方 法包括以下几种： 1 ) 硼铝共渗：渗层表面为f e ：b ，内层为含a 1 的f e ：b 或为铝化物。渗层的硬度 值高达1 5 0 0 h v 2 5 0 0 h v ，并随着钢中的合金元素的增加而提高：硼铝共渗层的热硬 湖北工业大学硕士学位论文 性和高温氧化性都比单纯渗硼有较大提高：4 5 钢硼铝共渗比渗硼处理有高的热疲 劳强度和抗剥落性能啪。 2 ) 硼铬共渗：渗层组织为铁和铬的硼化物、复杂成分的碳化物 ( f e ，c r ) 。c 。型 和( f e ，c r ) ：。c 。型 ，在静载荷和动载荷下，硼铬共渗层的塑性和耐磨性均比纯渗硼 层好的多。 3 ) 硼钛共渗：共渗后可获得致密的、与基体结合良好的硼化钛( t i b ：) 组织，它 具有很高的显微硬度、耐磨性、热稳定性。耐磨性比纯渗硼、硼铝共渗、硼铬共 渗都好，但不能提高抗氧化性能。 4 ) 硼氮共渗：氮原子渗入，扩大奥氏体区，降低渗硼的温度。过渡区形成f e 。n 、 f e 。n 组织，支撑着渗硼层，减少纯渗硼层的脆性。 除了在工艺方面研究外，渗硼剂晗钔的研究一直在进行着，主要是降低渗剂成 本及研究出适合不同钢种的渗剂，降低渗层的脆性。 1 3 辉光膏剂离子渗硼 近年来，离子氮化、离子渗碳等工艺的发展和应用。显示出它有渗速快、质 量好、无公害等优越性。从上世纪八十年代开始，国内外开始探索用辉光放电离 子热处理的方法进行渗硼的新途径。在运用原有等离子氮化设备的基础上，通过 辉光放电和高速氩离子轰击，使含硼膏剂在直流高压电场作用下产生的硼离子直 接渗入金属表面，形成硬而且耐磨的硼化物层，对抗氧化性和耐蚀性均有显著提 高。并具有渗硼温度低、时间短、渗速快、工件变形小、节约电能，不会产生污 染等优点。但目前的研究情况表明，辉光膏剂渗硼仍难以真正做到低温渗硼，其 渗硼温度仍在7 0 0 。c 左右，且渗层组织仍以脆性相f e b 为主，渗层深度仅为5 0 “m - - - - 6 0 啪左右。 1 3 1 辉光膏剂离子渗硼的基本原理 辉光放电膏剂离子渗硼时，硼是靠膏剂供给的，处理气氛为放电稳定性好的 惰性气体a r 气。当阴阳极间通入高压电时，在直流高压电场作用下，高速运动的 a r 离子轰击渗硼膏剂表面，产生辉光放电，动能部分转变为热能。在渗硼温度下， 适量的低熔点活化剂使膏剂处于熔融状态，通过硼源和活化剂直接发生化学反应 产生活性硼原子，实现较低温度下的膏剂渗硼。同时，高压直流作用加速分解出 活性硼原子，提高了膏剂涂层中活性硼原子的含量。由于硼在铁中的溶解度很小 ( 在9 0 0 时为3 x1 0 - 3 w t ) ，因而在辉光放电条件下，最可能的扩散机制是反应 扩散。有相关文献介绍了用探针测量渗硼膏剂和试样表面之间的电位差，从而说 湖北工业大学硕士学位论文 明呈阳离子状态的膏剂附着在阴极表面，使膏剂相对于阴极具有正电位，有利于 膏剂涂层中活性硼原子向试样表面的定向运动而被吸附在试样表面，这样就有可 能在很短的时间内，在试样表层建立和维持一个硼含量高的表面梯度和浓度梯度， 有利于试样表层持续进行气态化学反应扩散，从而决定了辉光膏剂离子渗硼具有 较高的渗硼的速度和渗硼层主要为脆性小、耐腐蚀性和耐磨性好等优良性能的f e ：b 相0 3 的特点。 1 3 2 渗硼层形成的机理 辉光膏剂离子渗硼试验中的化学反应，既有固体反应，也有气体反应，还有 离子反应。由于气体放电这一物理手段的加入，使得以上各种反应得以加强。其 主要反应式如下： b 。c + 4 n a f + 2 0 2 = 2 n a 2 0 + 2 b + 2 b f 2 1 + c 0 2f 2 8 4 c + 2 n a 3 a 1 f 。+ 5 0 2 - 3 n a 2 0 + a 12 0 3 + 4 b f 3f + 4 b + 2 c 0 2f ， b 4 c + 2 k b f 4 + o z = k 2 0 + 2 b + 4 b f 2f + c 0 2f 3 n a 2 8 4 0 7 + 6 c a = n a 2 0 + 6 c a 0 + 4 b b 4 c + 7 c 0 ：= 2 8 2 0 3 + 8 c 02 8 2 0 3 + 3 c a = 3 c a o + 2 b k b f 4 - k f + b f 3fb f 3 + f e = f e f 3 + b 由于硼砂热分解还可以产生三氧化二硼，而热分解产生的三氧化二硼在与碳 化硅在高温下将发生如下反应： n a 2 8 4 0 7 一n a 2 0 + 2 8 2 0 3 b 2 0 3 + s i c 一2 b + c o + s i 0 2 硼砂也可能与碳化硅发生如下反应： n a 2 b 。0 7 + s i c n a 2 0 - 2 s i 0 2 + 2 c 0 + 4 b n a 2 b 。0 。+ s i c n a 2 s i 0 2 + c 0 2 + o ：+ 4 b 含硼的高价卤化物继续反应成低卤化物，处于不稳定状态的含硼卤化物，他 们极易被试样表面吸收后自行放出活性硼原子。 b f 3f + c a = b ff + c a f 2 b f 。f + 三c a ：b f 。f + 三c a f ： 22 3 b f 。f = b + 2 b f 。f 离子膏剂渗硼还有如下反应： b 2 0 。+ b f 3 = ( b o f ) 。一b o f 9 湖北工业大学硕士学位论文 b o f 在金属表面形成吸附态以后，多半按r e d e a l 机理被气相中的还原性气体 如c o ，a 1 f 。等还原，b o f 中的f 经断链脱f ，其中的氧与气相中的c o 反应形成c o ： 后重新参加反应，硼以活性原子吸附于试样表面。 辉光膏剂渗硼和其它渗硼工艺相似，硼原子的渗入过程是由含硼介质的分解， 产生的活性硼原子向工件表面迁移，硼原子被表面吸附和由工件表面向内部扩散 等四个过程组成的。由于硼原子半径比碳：氮原子半径大，且原子结构与性质也 趋向于金属( 硼具有金属性与非金属的双重性) ，因此，硼原子的扩散与碳、氮在 钢中的扩散是有区别的。主要特点如下： 1 、硼在钢中可形成固溶体 由铁硼二元相图可知：硼在钢中的溶解度极低，最大的溶解度也不超过0 0 2 ， 硼和铁在不同温度下可以形成6 、y 和q 固溶体。硼在q f e 中形成置换固溶体， 在y - f e 中形成的主要是间隙固溶体，由于在置换固溶体中的扩散远比在间隙固溶 体中要困难的多，因此硼在y f e 中的扩散速度大于在q f e 中的扩散速度。 2 、硼和钢中的铁、碳可形成化合物 硼置换碳化物中的碳形成碳硼化合物在渗硼过程中，大量的硼原子渗入钢中， 其含量远远超过铁硼固溶体的溶解度。当含硼量大于0 0 0 1 时，硼就置换f e c 中 的碳形成碳硼化合物，即f e 。( c ，b ) 。当硼含量大于0 0 0 3 5 时，在6 0 0 - - - 9 7 0 温 度范围内，钢中形成一种特殊化合物，即f e ：。( c ib ) 。这种碳硼化合物为面心立方 晶格，晶格常数随含硼量而变化，一般在1 0 5 9 a 1 0 6 3 a 之间。当钢中有合金元 素存在时，可以溶解合金元素形成合金碳硼化合物。微量硼原子的渗入，使f e f e 。c 相图中的a c m 线显著左移。 1 3 3 渗硼层的形成过程 辉光膏剂渗硼过程也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，辉光膏