材料组织性能范文

材料组织性能范文材料组织性能范文 渗硼的发展研究 前言 金属材料的表面渗硼技术是近代发展起来的 一种非常有效的材料表面改性和防护方法性 如硬质合金拉丝模 采用化学热处理渗硼后 与未处理的模具比较 可使其使用寿命提 高1 2倍 目前渗硼技术广泛应用于石油化工 机械 汽车拖拉机制造 纺织 机械 工模具 易磨损件等方面 硼具有优越的屏蔽热中子和抑制俘获射线的核特性 而且铁本身又 是辐射屏蔽中常用的材料 因此 研究既有优良核特性又有足够结构强度的硼钢 始终是人们 追求的目标发 对不同方式的渗硼方法做了分析比较 是人们清楚 的了解渗硼的发展历史以及对实际渗硼的应用 主题 20实际70年代中期国内外开始对渗硼技术进行研究与应用 主要是对液体渗硼和固体粉末渗硼技术进行渗硼剂渗硼工艺渗硼原 理及渗硼层组织与性能开发研究工作 国外以日本为代表的液体渗硼的研究 以德国为代表的固体粉末渗 硼技术的研究都取得了成功 渗硼作为一种新兴工艺 走着一条曲折发展的道路 如何保留其强 劲的生命力 又克服其自身存在的严重缺点 1渗硼工艺的发展道路世界上最早一篇有关渗硼的文献是莫桑在1895 年发表的硼工艺开始了曲折的发展过程 渗硼过程大致可分为三个 发展阶段 第一阶段 本世纪20年代以前 人们对渗硼层性能认识不 够 加之工艺上存在着许多困难 几乎没有什么实际应用在这20年 里 渗硼发展非常缓慢 第二阶段 从20年代到60年代为止 固体渗硼取得了一定的进展 发明了一些新的渗硼剂 从工艺上已能够保证获得所需要的渗硼层 厚度 但因为渗硼昂贵 处理温度高 1000 1050 时间长 超过20小时 致使电解渗硼和盐浴渗硼新方 法引起了人们的极大关注并取得了十分迅速的发展 无论是工艺自 身的完善 渗层性质及渗层形成机理的研究 以至渗硼的实际作用 液体渗硼都大大超过了固体渗硼 在此阶段 固体渗硼工艺实际上仍处于停滞不前的状态 第三阶段 开始于60年代 由于液体渗硼寻在一些致命的弱点 硼 砂溶液对钢坩埚的强烈腐蚀作用 并使零件表面粘附一层难熔的壳 不易 且硼砂粘度高 对熔池的温度均匀不利 迫使人们去寻找其 他渗硼方法 探求的气体渗硼方法 由于三氯化硼和乙烷硼价格昂贵 剧毒 当 用氢气为载气时 尚有爆炸危险 因此又回过来重新对固体渗硼给予了重视 寻求的目标是能保证稳定的渗硼质量 又能降低渗硼的温度 缩短 处理时间 价格便宜的新渗硼剂和处理工艺 原西德的布莱梅硬化技术研究所 首先实现了该目标 并于1968年9 月申请了此项专利从1969年开始 固体渗硼工艺得到应用 尽管日本美国和前苏联有许多文章介绍了固体渗硼以外的其他方法 但在前西德和其他一些国家 在工业上大量采用的 只有固体渗 硼工艺 特别是前西德固体渗硼剂生产已有专门的厂家 过去国内 主要进行的是盐浴法渗硼的试验研究和应用 固体渗硼法还不太被 重视 从1975年开始 洛阳拖拉机研究所剂由粉末渗硼剂发展为粒 状渗硼剂 如WLB 1单相 WLB II双相粒状渗硼剂 已经成功地应用于实际生产 固体渗硼的发 展 包括寻求更加廉价的供硼剂 如硼铁硼砂等 以降低成本 寻求更好的催渗与活化剂 以增加渗速并降低渗 1 可以显著提高 金属材料的耐磨性 抗蚀性 红硬性 抗高温氧化 2 本文从渗硼的发展出 3 从此以后 渗 4 5 考试进行固体粉末渗硼的研究 现在各种渗硼硼温度 山东工业大学墨做填充剂 活化剂 还原剂 粘接剂均采用廉价原 材料 此渗硼剂渗硼能力强 质量稳定 成本低 用量少 渗剂松散 渗 硼工件表面不粘接 在制造技术和成分分配比上属国内首创 并基 本解决了粉尘的污染问题 为了实现对大件的局部渗硼强化处理 膏剂涂敷渗 CGB I单相 CGB II双相膏状渗硼剂 也有一定进展 2渗硼及其特点渗硼就是把硼渗到金属表面 得到一种或者多种金属 间化合物的扩散过程 硼在元素周期表里位于第二周期的碳元素之前 比碳氮的原子半径 大 与过渡族金属原子半径的比值都大于0 59 如rB rFe 0 82 1 2 6 0 65 0 59因此硼与过渡族金属形成的化合物 具有远比正常的间 隙相要复杂的多的晶体结构 该金属化合物如FeB Fe2B TiB2ZrB2VB2CrB2硬度高 热稳定性好 几乎比相应的碳化物 氮化 物的硬度和热稳定性都要高 但脆性也大 难以进行切削 也难进 行其他的变形加工 一般机械制造用钢 在冶炼过程中不能加入大量的硼 只能加入微 量的硼在改善钢的某些性能 渗硼的目的 是使钢铁表面的硼含量增高 以至可以形成高硬度的 硼化物层 这就有可能使基体的强韧性与表面的高硬耐磨抗蚀相结 合 硼在钢铁中的溶解度极低 随着温度的升高 其最大值也不超过0 0 2 钢件渗硼后 表层获得的硼化物一般由FeB Fe2B双相 或Fe2B 组成温氧化性 钢铁渗硼后硬度在HV1500 2200 渗硼层硬度高 因而渗硼件具有极高的耐磨性 特别在磨料 磨损 粘接磨损 以及摩擦磨损条件下工作的工模具 机械零部件 渗硼后的耐磨性远高于渗碳和氮化 钢铁渗硼后所形成的硼化物是一种十分稳定的金属硼化物 具有良 好的红硬性 渗硼层在60 下 能可靠地工作 另外渗硼层具有良好的抗高温氧化能力 渗硼层可以不用保护的在 电炉中加热到800度以上 保温30分钟 而保持渗硼层完好无损 铁的硼化物本身是金属的化合物 质硬而脆表现在渗硼层也是硬度 高 而脆性大 渗硼件在承受强大冲击力时 容易发生渗层的剥落 与开裂 这是渗硼层的致命弱点 也是近期渗硼工作的一个研究热 点 3渗硼工艺的分类渗硼工艺发展到今天 按渗硼剂存在的形态 可将 渗硼工艺分为气体渗硼 液体渗硼 点解渗硼及盐浴渗硼 固体渗 硼 还有一种所谓的固体气相渗硼法3 1气体渗硼气体渗硼与气体渗 碳气体渗氮类似 将硼气体通入炉内 同时将炉子加热到渗硼温度 是炉气在工件表面发生分解 近而通过物理化学的吸附 扩散而 形成硼化物 离子渗硼是从离子氮化发展起来的 二者除供给的介质和过程控制 参数不同外渗后无需清理 另外气体介质活泼 可以在较低温度下实现渗硼 渗速也快 但所用气体的制备保存困难价格昂贵 有剧毒且有爆炸性 目前尚 难以被工业生产所采用 基本上处于试验阶段 3 2液体渗硼它包括点解渗硼和盐浴渗硼 工件浸入到熔融状态的硼砂浴中 并以工件为负极 通电进行点解 点解渗硼的效率高 可以再较低温度下渗硼 渗硼剂便宜 渗层厚度易于控制 但点解渗硼只能适用于形状简单的零件 对于形状复杂的零 6 研制 的硼砂石墨型粒状渗硼剂 以硼砂为供硼剂 石 6 该层具有极高的硬度 耐磨性 耐腐蚀性 红硬性及抗高 7 8 其它都相差不大 气体渗硼的渗层均匀 致密 表面质量好 工件件 因各部分电流密度不同 会使渗硼层厚度不均匀蚀严重 坩埚寿命较短 如果坩埚材料中的元素溶于盐浴中 则会影响盐浴渗硼剂的活性 使渗速下降 盐浴渗硼是国内应用较多的一种渗硼法 渗硼剂的主要组成是以硼 砂或碱金属的氯化物为基加入碳化硅硅钙铝铁硅锰铁等还原剂 也有在上述成分加入氟硼酸钠的在熔融硼砂中加入氯化钠 氯化钡 或碳酸盐等助熔盐类 可使渗硼温度降至700 800 盐浴渗硼设备简单 操作方便 深层组织容易控制 而且能处理形 状较复杂的零件 但盐浴的活性差 工件清洗困难 坩埚寿命短 在大量生产中盐浴 温度的均匀性 盐浴成分的均匀性均难保证 3 3固体渗硼主要是粉末 粒状 渗硼和膏剂渗硼 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 粒状渗硼剂的出现 克服了粉末渗剂的不足 所处理工件的表面光 洁 渗剂松散 还可以重复使用采用粉末 粒状 渗硼剂时 是将 渗硼剂装入耐热钢制的箱子中 钢件埋入其中 而后在空气真空或 保护气体炉中加热 保温渗硼 固体渗硼处理不需要专门设备 操作方便 渗后容易清理 应用性 强 便于推广 但该法劳动强度大 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 对大型件的处理困难 渗后工件不易取出 难以进行渗后的直接淬火处理 膏剂法渗硼是固体粉末渗硼的发展 将粉末渗硼剂加上粘接剂制成 膏剂 涂在工件表面 然后加热扩散 膏剂渗硼的加热方式有空气炉加热感应炉加热和保护气氛加热等 在空气炉中处理时 将涂敷渗硼膏剂的工件在空气中干燥后 装入 耐热钢制成的箱中 然后放入空气炉中加热 为了防止加热过程中 膏剂涂层的氧化以及渗硼气体外逸 采用玻璃粉进行密封涂层或自 保护膏剂而在空气炉中直接进行加热的 膏剂渗硼最大特点就是能方便的实现局部渗硼 渗硼剂的消耗小 加热时间短 效率高 总结 1渗硼作为一种新型工艺 发展道路比较曲折 既有强劲的生 命力 又不断克服自身存在的严重不足 2渗硼是一种强化表面的化学热处理工艺 它是通过硼原子扩散到金 属基板上 在700 1000 的温度下保温1 10h 在基体表面形成金属 硼化物 这种金属硼化物的形成使被处理的工件具有高硬度 高耐 腐蚀性 高温氧化达850 等优异的表面性能 并且使用寿命提高到 原来的3 10倍 3渗硼工艺虽然有三种 但目前国内外多普遍采用固体渗硼 这是因为固体渗硼与其它渗硼工艺相比具有许多优点 特别是粉末渗硼工艺 它具有不需要特殊设备 采用普通电 9 另外熔融硼砂对坩埚腐 10 11 12 现在膏剂渗硼也有采用保护气 煤加热炉均可 工艺操作简单 渗 后工件不需清洗 渗剂重复使用性好 成本较低和渗层厚度与组织 易控制等优点 参考文献 1 陈树旺 程焕武 陈卫东 硼技术的研究应用发展 J 国外金属处理 xx4 5 8 13 刘长升 崔虹雯 任晓等 高硼钢的组织与性能 J 东 北大学学报 xx 25 3 247 249 夏兆所 含硼冷轧无取向硅钢的研制 J 上海金属 xx 25 4 20 23 2 3 4 赵霞 徐家文 马丽华 扩散退火对球墨铸 铁热浸镀铝组织的影响 J 表面技术 xx 32 5 6 7 杨峰 杨志德 盐浴共晶化渗硼工艺研究 J 热加工工 艺 xx 36 16 56 57 沈思特 谭昌瑶 李纪科 渗硼的发展研究 J 四川 工业学院学报 1995 14 4 1 6 丁二农 固体深层渗硼中元素的分布 J 合肥工业大学 学报 1993 921 22 杨海丽 何宁 李运刚等 沉积扩散法制备 高硅钢 J 材料导