低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究

1、郑州大学毕业设计（论文）郑州大学毕业设计（论文） 题目：低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究 Study on wear resistance of boronizing layer on metal surface of low carbon steel at low stress conditions 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 专专 业业 材料科学与工程（成型） 学学 院院 材料科学与工程学院 2010 年 6 月 3 日 摘要 本文研究了低碳钢表面的渗硼工艺及渗层在低应力条件下耐磨性能。研究采用的工 艺变量为渗硼时间、渗硼温度

2、和渗剂配方，试验所用的母材材料为 20 钢和 40Cr。渗剂 配方由供硼剂、活化剂、还原剂和填充剂组成。本文共选用四种工艺来进行渗硼实验。 通过对试验结果进行分析，发现渗硼之后材料的耐磨性能大大提高。在不同条件下，渗 硼层的厚度、硬度和脆性也有很大差别。渗硼层主要是是由 FeB 和 Fe2B 两相组成，且显 微硬度达到 1700HV，具有很高的硬度和耐磨性。同时发现渗层硬度梯度对材料的使用寿 命也有很大的影响，降低硬度梯度对材料有重要的意义，可以通过对渗后试样的热处理 来减小硬度梯度和改善材料的组织，提高材料的性能。 关键词关键词：表面渗硼；工艺；耐磨性能 Abstract In this p

3、aper, the boronizing process and wear resistance of boronizing layer under low stress is studied. This article uses boronizing time, temperature and penetration formula as process variables, and uses 20 steel and 40Cr as sample material. Penetration formula formed by the for boron, activator, reduci

4、ng agent and fillers. Four types technology are used to conduct boronizing experiments. By experimental analysis, found that the wear resistance increased greatly after boronizing. The thickness, hardness and brittleness of boronizing layer are great different. Boronizing layer is mainly by the two-

5、phase FeB and Fe2B, the hardness of boronizing layer reaches 1700HV, and it has high hardness and wear resistance. The hardness gradient has a great influence to the lifetime of material, so, how to reduce the hardness gradient is important. We can reduce the hardness gradient and improve the organi

6、zation of materials by heat- treatment to improve the material performance. Keywords：surface boronizing; technology; wear resistance 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 目 录 .I 1 概述 .1 1.1 前沿.1 1.2 磨损.1 1.2.1 粘着磨损 .2 1.2.2 接触疲劳磨损 .2 1.2.3 腐蚀磨损 .2 1.2.4 磨料磨损 .2 1.3 耐磨性.3 1.4 表面渗硼工艺 .4 1.4.1 渗硼工艺简介 .4 1.4.2 渗硼工艺目的

7、 .4 1.4.3 渗硼工艺分类 .4 1.4.4 渗硼过程中的化学反应.5 1.4.5 渗硼层的组织与性能.6 1.4.6 渗硼工艺的优缺点.7 1.5 选题意义和需要解决的问题 .7 1.5.1 选题意义 .7 1.5.2 需要解决的问题 .7 2 实验内容 .9 2.1 渗硼工艺.9 2.1.1 母材的选取 .9 2.1.2 渗剂配方的选用 .9 2.1.3 渗前准备 .9 2.1.4 混装与装罐 .10 2.1.5 渗硼过程控制 .10 2.1.6 渗后试样检查与缺陷分析.10 2.2 试样的制作.10 2.2.1 试样的选取 .10 2.2.2 制作金相试样 .11 2.2.3 金相

8、观察 .12 2.2.4 显微硬度的测量 .12 3 实验结果与分析 .13 3.1 渗硼层的显微组织观察.13 3.2 显微硬度分析.14 3.2.1 显微硬度 .14 3.2.2 渗硼温度对渗硼层显微硬度的影响.16 3.2.3 保温时间对渗硼层显微硬度的影响.16 3.3 渗层的耐磨性.17 3.4 渗层组织的缺陷.18 3.4.1 内裂纹 .18 3.4.2 渗层厚薄不均 .19 3.5 渗硼层的脆性.19 3.5.1 渗硼层本质脆性 .19 3.5.2 渗硼层中致脆组织形态.20 3.5.3 渗硼层中的致脆碳化物.20 4 结论 .21 参考文献 .22 附件 1： .23 附件 2

9、: .24 附件 3： .25 附件 4： .26 附件 5： .27 外文翻译 .28 外文原文 .36 致 谢 .45 1 概述 1.1 前沿 金属材抖与其它物体接触并产生相对运动和摩擦时，在接触应力作用下，金属表面 的部分物质便会发生人们所不希望的脱落或转移，这种现象称为金属的磨损。磨损是一 种非常有害的现象,它将造成巨大的经济损失和自然资源的浪费。据统计资料，在失效的 机械零件中，有 75%80%属于磨损造成，供给机械的能量有大约 30%50%消耗于摩擦 和机械零件的磨损过程中。苏联机器制造产品因磨损所造成的损失每年达 100-120 亿卢 布,美国每年因磨损所造成的经济损失估计为 1

10、000 亿美元,而西德估计为 100 亿马克。可 见，研究金属磨损，提高金属的耐磨性和发展耐磨合金具有何等重要的意义。 有资料表明，我国用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备 的易损件，每年消耗百万吨以上。然而普通材料的耐磨性差，开发、研制、推广新型抗 磨材料和先进的耐磨铸件生产工艺具有重要意义。耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、 光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等 高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、 建材等起着重要作用，耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推 动和支撑作用，在

11、全球新材料研究领域中，耐磨材料约占 85%。 耐磨材料种类繁多，当前使用最为普遍的是金属耐磨材料，然而一般的金属耐磨材 料在某些工作环境下也达不到要求，必须在整体强化的基础上采取措施进一步强化其工 作表面，这就是所谓的表面技术。表面改性是表面技术里的一个分支，即采用某种工艺 手段使零件表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。化学热处理是表面 改性中的一种方法，它利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表面的一种热处理工艺。 基本工艺过程是：将工件置于含有某种化学元素的介质中加热保温，使活性介质通过分 解，使某种元素渗入钢铁表面的原子向金属表面扩散渗入形成一定厚度的扩散层，然后 以适当的方

12、式冷却，从而改变金属表面的化学成分和组织结构，赋予金属表面新的物理、 化学及机械性能。金属表面渗硼技术是提高金属表面耐磨性能非常便捷的一种工艺方法。 1.2 磨损 磨损是一种伴随摩擦产生的表层材料微量损失现象，它是一个十分复杂的表面微观 破坏过程，它不仅取决于金属材料本身所固有的成份，组织和性能，而且还受许多外界 因素所影响。磨损性能实际上是一个系统的性能，是金属本身，相配材料和工作条件的 综合表现。磨损会降低机械设备的运动精度，会缩短机器的使用寿命，甚至会使机器完 全丧失工作能力。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损理论磨损工 矿和不断发展抗磨材料是国内外同行研究的热点和难点。

13、磨损的分类方法很多，目前为大多数人公认的乃是按磨损机理进行的分类，即磨料 磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损。据估计，在工程实践中，磨料磨损约占全 部磨损现象的 50%，是造成金属磨损的一个最普遍、最重要的原因。为此，本文着重介 绍磨料磨损的基本概念，磨损机理，控制磨料磨损的因素和一些常用的抗磨料磨损的耐 磨合金，为进一步研究磨料磨损和提高磨损件的寿命提供一些线索。 1.2.1 粘着磨损 粘着磨损也称咬合磨损或摩擦磨损，粘着磨损是在法向加载下，两物体接触表面相 对滑动时产生的磨损。磨损产物通常为小颗粒状，从一个物体表面粘附到另一个物体表 面上，然后在继续的摩擦过程中，表面发生断裂，有时还发

14、生反粘附，即被粘附到另一 个表面上的材料又回到原来的表面上，这种粘附反粘附往往使材料以自由磨屑状态脱落 下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成，粘着以后的断裂分离，并不一定在最初 的接触表面产生。 1.2.2 接触疲劳磨损 接触疲劳磨损是一种很常见的磨损形式，主要发生在承受周期性的接触载荷或交变 应力的机器零件表面上，如滚动轴承，车轴，齿轮，钢轨等，这种形式的磨损也叫做接 触疲劳磨损。疲劳磨损的定义：当两个接触体相对滚动或滑动时接触区形成的循环应力 超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材 料剥落下来的磨损过程； 1.2.3 腐蚀磨损 腐蚀磨损是一种极为复

15、杂又很常见的磨损形式，它是材料受腐蚀和磨损综合作用的 磨损过程。腐蚀磨损最常见的是氧化磨损，氧化磨损的实质是在金属表面与气体介质发 生氧化反应，生成单分子氧化膜，厚度逐渐增加，但增长速度岁时间推移，按指数规律 而减少，多数金属表面氧化膜厚度为 10-10cm，有些氧化膜相当硬，若在滑动过程不再 增加或不被磨去，足以起到保护作用，但氧化膜过厚易产生断裂和剥落，被剥落的氧化 物本身在摩擦面之间就行成了腐蚀磨损。 1.2.4 磨料磨损 1.2.4.1 磨料磨损的概念及分类 磨料磨损主要是指硬的磨粒或硬的突出物在与表面相互接触运动的过程中，使表 面材料发生损耗的一种现象或过程。磨料磨损时，作用在质点上

16、的力分为垂直分力和 水平分力，前者使硬质点压入材料表面，而后者使硬质点与表面之间发生相对位移， 硬质点与材料相互作用的结果，是被磨损表面产生犁皱或切削，形成磨损或在表面留 下沟槽。 磨料磨损一般分为低应力擦伤式磨料磨损、高应力磨料磨损和凿削式磨料磨损。 第一，低应力擦伤式磨料磨损是指磨料与材料表面之间的作用力小于磨料本身压 溃强度时产生得力，摩擦结果时在材料表面只发生微小的划痕。既不致使磨料破碎又 能使材料不断流失的磨损方式， 宏观可见磨损表面比较光亮，高倍观察可见微细的磨 沟或微坑一类磨伤。 典型零件如农机具的磨损、洗煤设备的磨损、运输设备的溜槽、 料仓、漏斗、料车等。 第二，高应力磨料磨损

17、也称碎式磨料磨损，当磨料与材料的接触压应力大于磨料 的压溃强度时，一般金属表面被拉伤，韧性材料产生塑性变形，脆性材料发生碎裂 或剥落。该类磨损的磨粒在压碎之前，几乎没有滚动和切削的可能，它对被磨表面的 作用是由接触处的集中压应力造成的。典型零件是球磨机的磨球与衬板等滚式破碎机 中的辊轮等。 第三，凿削式磨料磨损的产生主要由磨料中的磨粒包含大块磨粒，而且具有尖锐 棱角，对材料表面进行高应力和伴随冲击作用，使材料表面撕裂出很大的颗粒或碎块， 使被磨材料表面形成较深的犁沟或深坑，经常在运输或破碎大块磨料时发生。典型实 例如颚式破碎机的齿板，辗辊等。 1.2.4.2 磨料磨损机理 磨料磨损机理是指零件

18、表面材料和磨料发生摩擦接触后，材料是如何磨损，亦即 材料的磨屑是如何从表面脱落下来的。 磨损机理又分为微观切削磨损机理、多次塑 变磨损机理、疲劳磨损机理和微观断裂磨损机理。 磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力。法向力使磨粒压入表面， 切向力使磨粒向前推进，当磨粒形状与运动方向是当时，磨粒如同刀具一样，在表面 进行切割而形成切削。但这种切削的宽度和深度都很小，因此切削也很小，称之为微 观切削。在显微镜下观察，一面比较光滑，一面有滑动的台阶，有些还发生卷曲的现 象。微观切削磨损是 材料表面磨损 的主要机理。 1.3 耐磨性 材料的耐磨性不是材料的固有性质，而是磨损系统的问题，即由材料

19、性质构成的 内部参量与由磨损条件构成的外部参量共同作用的结果。系统参量变化了，材料的耐 磨性也相应发生变化。 (1) 足够高的材料硬度，是金属材料能过有效抵抗磨料磨损的 首要前提，在提高材料的整体硬度有困难的情况下，运用表面处理技术对材料进行表 面强化，提高耐磨部件的表面硬度，是材料强化重要的努力方向。(2)对于以共晶碳 化物为主要抗磨相得材料，在大磨粒磨损条件下，提高基体强度从而加强对碳化物的 固持与支承，可以较大幅度的提高钢的耐磨性；而在小磨粒磨损条件下，细化组织， 减小共晶碳化物的平均自由程，使之转化为大磨粒磨损系统，是较之提高基体耐磨性 更为有效的手段。 1.4 表面渗硼工艺 1.4.

20、1 渗硼工艺简介 渗硼工艺自诞生至今已有 100 多年的历史，此间国内外的同行们创造发明了许多渗 硼方法,如固体粉末渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼等,其中固体渗硼因具有操作方 便、使用设备简单、质量易控制等优点在生产中得到较广泛的应用。我国大量开展渗硼 技术的研究始于 20 世纪 70 年代后期，主要从事液体渗硼研究与应用，同时对固体粉末 渗硼进行了工艺试验。渗硼技术的发展也推动了渗金属技术的开发与研究。1987 年中国 热处理学会成立了“全国渗硼渗金属技术委员会” ，使渗硼技术的开发与应用得以迅速发 展，达到了国际先进水平。我们较全面系统地对液体渗硼、 固体渗硼技术进行了研究与 应用。2

21、0 世纪 90 年代以后，我们对渗硼技术由理论研究转向生产应用开发。主要解决 渗剂的优选、 工艺的简化、消除污染和降低成本，以适应工业生产的需求；同时，开展 了大量非模具零件的渗硼研究。 1.4.2 渗硼工艺目的 采用渗硼工艺一般为了以下几个主要目的： （1）提高金属表面的耐蚀性，渗硼零件在除硝酸外所有的酸碱盐中具有较高的抗腐 蚀性； （2）提高金属材料的抗疲劳强度； （3）提高金属表面的强度、硬度和耐磨性，提高零件的使用寿命，膨化物十分稳定， 在 800高温下能够保持高的硬度，即红硬性好，在 700以下具有良好的抗氧化性，且 渗层越厚抗氧化温度越高。 1.4.3 渗硼工艺分类 渗硼工艺一般有

22、如下三种：固体渗硼、气体渗硼和盐浴渗硼。 （1）固体渗硼：固体渗硼是将工件埋入含硼的介质中，或在表面涂以含硼膏剂装箱 密封，并在箱式或井式电炉中加热保温进行渗硼的一种工艺。这种方法不需要专用设备， 具有操作方便、渗后易于清理、适应性强和便于推广等优点。近年来已在国内外广泛应 用。 （2）气体渗硼：气体渗硼采用的气源为三氯化硼、乙硼烷和三甲基硼，当用三氯化 硼和乙硼烷作介质时，渗硼温度为 850-1000，渗层组织一般为 Fe2B 相。优点是渗层质 量较好、渗后不需要清理，但乙硼烷不稳定，用氢气或氢气作载气时易爆炸，且价格昂 贵；三氯化硼极易水解，至今在生产上尚未采用。 （3）盐浴渗硼：液体渗硼

23、曾经用于生产，主要以盐浴渗硼为主。盐浴配比是以硼砂 为基，碳化硅、铝粉、硅钙、硅铁、稀土物质等为还原剂。这类配方成本低廉，盐浴稳 定性好，可获得单相 Fe2B 渗层。盐浴渗硼尚存在一些问题，如盐浴流动性差，工件粘盐 现象严重，渗后清洗较困难，同时盐浴对坩埚、挂具等有较大的腐蚀性，限制了此方法 的应用。 1.4.4 渗硼过程中的化学反应 1.4.4.1 固体渗硼化学反应 固体渗硼普遍采用的供硼剂有两种 ,一种是碳化硼 ,一种是硼铁。为还原出硼原 子 ,在渗剂中均添加氟硼酸钾作为活化剂 ,其化学反应如下 : (1)碳化硼、 氟硼酸钾渗剂的反应 : 2KBF4 +B4C +O2 = K 2O + 4

24、BF2 + 2B + CO 其中的 BF2 为不稳定气体 ,经分解析出硼原子而形成稳定的 BF3 气体: 3BF2 = B + 2BF3 (2)硼铁、 氟硼酸钾渗剂的反应 : 4KBF4 + 4B + O2 = 2K2O + 8BF2 其中的 BF2发生分解而析出硼原子 : 3BF2 = B + 2BF3 1.4.4.2 气体渗硼化学反应 气体渗硼主要采用两种气氛 ,一种是三氯化硼 ,一种是乙硼烷 ,其渗硼化学反应 如下: (1)三氯化硼气体渗硼化学反应 : 2BCl3 + 5Fe = 2FeB + 3FeCl2 (2)乙硼烷气体渗硼化学反应 : B2H6 = 2B + 3H2 上述渗硼气体均

25、由氢气作载体。 1.4.4.3 盐浴渗硼化学反应 盐浴渗硼普遍采用的供硼剂以硼砂为主,碳化硅、 铝粉等为还原剂 ,其基本的化学反 应如下: (1)硼砂浴中加碳化硅的反应: Na2B4O7 + 2SiC = Na2O 2SiO2 + 4B + 2CO (2)硼砂浴中加铝粉的反应: Na2B4O7 + 4Al = Na2O + 2Al2O3 + 4B 上述二式中的B 为活性硼原子 ,可以渗入钢中。 1.4.5 渗硼层的组织与性能 1.4.5.1 渗硼后的组织 渗硼层的组织一般为FeB、Fe2B 单相或双相组织，它们在碳钢和低碳钢中由表面向 基体呈锯齿形楔入。形成双相时, 表面为FeB , 次层为F

26、e2B ,硼化物层与基体之间为过 渡区。 1.4.5.2 渗硼层性能 渗硼后的钢铁表面除具有高硬度(13002300HV) 和耐热性外,其力学性能、磨损性 能和抗蚀性能如下。 （1）冲击性能 40Cr 钢在不同处理状态下的冲击实验数据见表1。由表1可知,40Cr 钢渗硼后调质的 冲击韧性比未渗硼时的调质状态稍有降低,这是因为硼化物为脆性相所致,但其冲击值均 能满足技术要求。渗硼缓冷的试样冲击值很低其原因在于渗硼温度高且又长时间保温而 导致的晶粒粗大。所以对于工作中要 求冲击值高的工件渗硼后必须调质。 （2）抗拉性能 40Cr 钢在不同处理状态下的拉伸性能数据见表2。可见渗硼后调质与未渗硼调质状

27、 态的s、b和值相接近,值偏低一些。说明钢渗硼后经过恰当的热处理,仍能保持 良好的强韧性。 表1 40Cr钢渗硼后冲击试验数据（ak/Jcm-2） 1号试样2号试样3号试样平均 渗硼后炉冷21.721.72828 渗硼后调质99.572.786.186.1 未渗硼调质113.5111.6111.8112.3 表2 40Cr钢拉伸性能数据 s/MPab/MPa/%/% 调质820.83907.6411.535.2 渗硼调质后801.06886.36916.7 （3）耐磨性能 40Cr钢在渗硼及不同热处理状态下的磨粒磨损数据见表3。可知渗硼后耐磨性大幅度 提高,说明渗硼层具有优良的抗磨损性能,可广

28、泛用于在磨粒磨损条件下工作的工件。 表3 40Cr钢磨粒磨损数据 磨损前重量/g磨损后重量/g失重量/g 调质5.447015.410270.03674 渗硼炉冷5.447015.438480.00853 渗硼调质5.525465.520750.00471 （4）耐腐蚀性能 钢经渗硼后表面形成十分稳定的化合物,故具有良好的耐蚀性。表4为1Cr5Mo钢经渗 硼后的抗蚀试验数据。由表4可知,渗硼后在前三种溶液中腐蚀比较慢,渗硼后的抗蚀性提 高819倍。但在硝酸中,渗硼后的耐蚀性仅为未渗硼者的1/ 9 ,所以渗硼层不适宜在硝 酸环境中使用。 表4 1Cr5Mo钢不同状态下腐蚀实验数据（失重量/g）

29、3HClH2SO4NaOHHNO3 渗硼0.00150.00110.00050.1329 未渗硼0.01230.00960.00960.0152 提高倍数8.213.319.29 1.4.6 渗硼工艺的优缺点 金属表面的渗硼层能大大提高材料的硬度、耐磨性等等，大大提高了零件的使用寿 命，渗硼工艺比较简单，容易操作，但是渗硼层与材料之间的结合不是特别牢固，渗硼 层容易出现脱落，即渗脆性大，影响材料的性能。 1.5 选题意义和需要解决的问题 1.5.1 选题意义 本文研究的是低碳钢表面渗硼层在低应力条件下的耐磨性能，目前机械、建筑等行 业出现了大量因材料磨损而导致使用寿命降低甚至报废的情况，因此需

30、要积极的探索研 究材料的耐磨损方法，而在众多的方法中表面渗硼是一种方便快捷有效的解决方法。现 在这方面的研究很多，但是仍然存在许多问题：如何提高渗硼的效率，增加渗硼层的厚 度，减小渗硼层的脆性，影响渗硼过程的主要因素有哪些等等。所以研究这个课题就是 为了清楚的了解低碳钢表面渗硼层的性能及影响渗硼层的因素。 1.5.2 需要解决的问题 渗硼过程中渗层的渗脆性及渗层薄阻碍了渗硼工艺的进一步发展，影响渗脆性的因 素很多，首先，温度低，渗层较薄，与基体结合强度低，在冲击力或弯曲力作用下，渗 层易发生剥落，温度太高，渗层厚度虽然增加但渗层有较多孔隙，致密度降低，削弱了 硼化物与基体的结合强度，且基体晶粒

31、组织粗大增加了脆性，所以控制好温度，不能太 低，也不能太高，880摄氏度比较合适；其次，渗硼时间也对脆性有影响，一般880摄氏 度渗硼，保温4小时，此时脆性最小，韧性好；再次，冷却条件的不同也对渗层脆性有影 响，应尽量减少渗硼后的加热冷却次数，渗硼后直接淬火；最后，回火温度也有影响， 高温回火脆性大，低温回火脆性小。另外，稀土元素的加入也可以显著地改善渗层脆性。 实验中应该要注意以下问题： (1)试验过程中要严格执行操作规范，并记录好实验数据。 (2)试验结果与分析：根据试验数据分析看是否与理论值一致并进行详细分析。 (3)得出试验结论。 2 实验内容 2.1 渗硼工艺 2.1.1 母材的选取

32、 渗硼工艺适用于钢、铸铁及硬质合金等材料，在冷、热模具上效果很好。对严重磨 损工件，如高压阀板、泥浆泵缸套、活塞杆、履带节等也很有效。WC 硬质合金渗硼后 表面生成 W2(CB)3 或 W(CB)3，硬度 2600-3400HV，摩擦因数减小，耐磨性显著提高。 含硅量较高的钢渗硼后，往往在过渡区形成一硬度很低的软带区域，这对渗层的性能是 极其有害的，因此含硅量大于 1%的钢种不宜作渗硼用钢。低碳结构钢中的 Q235、20 的 渗硼效率高，易获得单相 Fe2B 层硼化物呈梳齿状与基体结合力强，适用对基体强度要 求不高的耐磨或抗蚀件。中碳结构钢中的 45、40Cr 渗硼效率中等，可获得齿状硼化物，

33、 耐磨性好，与基体结合牢固。适于要求表面耐磨，基体又具有较高强度的工件。故选其 中的 20 和 40Cr 作为本次试验的基体材料。 2.1.2 渗剂配方的选用 一般认为，渗剂由供硼剂、还原剂、活化剂、填充剂和助渗剂组成。渗剂总重 1kg。 配方如下： 供硼剂 硼砂 （wt.%） 活化剂 氟硼酸钾 （wt.%） 还原剂 硅铁 （wt.%） 填充剂 石墨+木 炭 （wt.%） 助渗剂 氯化铵 （wt.%） 温度（） 时间（h） 配方一15122030+203 9205 配方二15122030+203 9204 配方三20122025+203 9205 配方四15122030+203 9005 2.

34、1.3 渗前准备 硼砂：分子式为 Na2B4O7 10H2O，由于含结晶水很多，必须除去其中的结晶水， 使 Na2B4O7更加纯净。将硼砂在 450下脱水处理 1 小时。试验时用的已脱水硼砂，使用 前经 100烘干 1 小时。 作用:硼砂为主要供硼剂,在渗硼过程中提供活性B原子。 活化剂：一般使用化学纯试剂在使用易挥发或易湿分解的活化剂（如铵盐类） 时渗剂配好后应密封存放，或者现用现配制，以免因活化剂挥发或吸水分解，影响渗 硼的效果。使用前经 100烘干 1 小时。 作用: KBF4为活化剂，在渗硼过程中提高渗剂活性，与硼砂反应，产生气态的硼化物， 促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。 填充剂

35、：原料一般均采用工业纯料，其中木炭一般为块状，配制时粉碎成粉末。 作用: 渗剂中加入木炭、活性炭、石墨，主要起填充剂作用。目的有三:一是防止渗 剂烧结及渗剂与试样粘接;二是保持渗剂的松散与通气;三是保持渗剂中还原性气氛和控 制硼势，同时也参与活化作用。尤其是木炭、活性炭还具有渗碳功效，这有利于渗硼的 进行。 一些易挥发、易分解的活化剂如氯化铵，在各成分在配制前不需要经 100左右干 燥处理。 2.1.4 混装与装罐 由于渗剂配方中各成分所占比例悬殊，而且粒度和比重不同，所以渗剂按比例配好 后，置于研钵中进行混料，使其充分混合均匀。装罐前对试样表面进行除锈、除油污， 使试样表面光洁，这样更有利于

36、提高渗硼效果。混好后，即可将渗剂和试样装入渗罐中。 方法是：先在罐底铺上一层 2030mm 渗剂后再放入试样，试样与罐壁之间保持 1015mm 的间隙，然后再填充渗剂，试样上表面复盖 2030mm 厚渗剂，周围用耐火 棉沿罐壁绕一圈后再用粘土和水密封好，封好后要经 100干燥半小时。这样有利于保 持渗剂的松散性。 固体渗硼时，渗硼容器密封与否，其渗硼效果大不一样。为了保持渗硼容器内有良 好的渗硼气氛，减少活化剂的分解挥发，防止工件氧化，渗硼容器的密封是十分必要的。 试验表明，如果密封得好，在相同的渗剂与工艺条件下，可得到更深的渗层。另外，密 封容器内的渗剂，渗后的松散性亦较不密封的为好。 2.

37、1.5 渗硼过程控制 将炉子升温到 900时，将罐放入炉中，待温度达到 920时开始计时，一号三号保 温 5 小时，二号保温 4 小时，四号在 900保温 5 小时。出炉后，空冷至室温后取出试 样。 2.1.6 渗后试样检查与缺陷分析 渗后发现三号罐比一号二号四号烧结严重，主要是因为三号渗剂硼砂含量高造成的， 试样表面存在残留渗剂，不易清除，渗剂粘罐现象比较严重。 2.2 试样的制作 2.2.1 试样的选取 本实验选取的母材材料是 20 钢和 40Cr，将上述渗过的圆棒试样用线切割截取 15mm，20 钢的尺寸为 12mm15mm，40Cr 的尺寸为 14mm15mm。 2.2.2 制作金相试

38、样 （1）砂纸磨光 磨光过程是试样制备最重要的阶段，除使试样表面平整外，主要是使组织损伤层减 少到最低程度甚至毫无损伤。在磨制试样时步骤如下，首先用 100 号的粗砂纸磨平试样 表面，然后用再用 200、400、600、800 号金相砂纸磨光。磨光时施加的压力大小要合适， 在更换下道细砂纸时不必减少压力，因为在合适的范围内施加的压力大，磨光速率也大， 而对损伤层的影响并不大。但是用力不宜过大，时间也不宜过长，以免试样表面产生新 的损伤层，给抛光带来困难。磨样时要注意：在第一张砂纸上试样始终朝一个方向磨， 换下一道砂纸的时候将试样旋转 90，同样只朝一个方向磨，直到将在上一道砂纸上磨 出的磨痕磨

39、光为止。每换一次砂纸都必须将试样清洗干净，不允许把上道工序的残留磨 料带到下道工序去，经过这样磨光的试样，肉眼观察非常光滑，就像平面镜一样能产生 反射，然后置于显微镜下观察，只有呈现出一个方向的细磨痕。 （2）机械抛光 试样经磨制后，及时进行抛光。常用的抛光方法主要有机械抛光、电解抛光和化学 抛光。本实验采用机械抛光，在机械抛光中抛光盘由电动机带动，上面铺以抛光布，粗 抛采用帆布呢或粗呢，精抛用绒布、细呢或丝绸，本事样采用绒布作为抛光布。抛光膏 为在水中加入粒度为 0.3-1.0 微米的 Cr2O3悬浮液，配比为 5-10 克/升。抛光时间不宜过 长，以磨痕全部消除呈镜面即可停止，用水将试样表

40、面清洗干净，然后用吹风机干燥后 即可进行腐蚀。 （3）腐蚀 试样经抛光之后进行腐蚀，试样的腐蚀属于电化学侵蚀，晶粒之间、晶粒与晶界之 间、各相之间甚至同一晶粒的不同部位之间，在化学腐蚀液中具有不同的电势，组成众 多的微电池。电势较低处形成电池的阳极，溶解较快；电势较高处形成阴极，溶解较慢。 其原因是抛光镜面在电化学腐蚀作用下，变得凹凸不平，从而对入射光线形成有选择的 有规律的漫反射，显示出晶粒晶界、相和组织结构。对于单相合金来说，可以显示晶界 和晶粒位相。同位相束中板条晶在金相腐蚀时以相同的方式受到腐蚀，在光学金相视场 中形成均匀的块状结构。对于多相合金，相界具有类似的电化学效应，相界溶解较快

41、。 在相界与相，相邻的相之间产生不同的侵蚀速度，在抛光表面形成凹洼或着色，显示出 相和组织。抛光表面在腐蚀前应该保持清洁，无水迹和油污。不同的材料显示不同的组 织，应该选择合适的腐蚀液。腐蚀方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作时均应使腐蚀 液均匀侵蚀样品表面，腐蚀时间的长短，依样品材料的不同而不同。一般而言，组织越 弥散越易腐蚀，淬火钢、合金元素含量高的材料、不锈钢等组织腐蚀时间宜长些。腐蚀 时间在相当程度上取决于制作经验，一般腐蚀到表面稍微发暗即可，腐蚀好的样品应立 即用水冲洗干净，再用酒精擦洗干净后干燥，干燥后即可进行金相观察。本实验采用 3% 的硝酸酒精溶液腐蚀，在腐蚀的时候一定要注意观察

42、侵蚀力度，避免侵蚀不够或者过度 侵蚀。所有试样都采用上述方法进行磨制和侵蚀，备用。 2.2.3 金相观察 试样经腐蚀后，首先用金相显微镜观测金相组织，看能否观测到金相组织和金相组 织是否清晰可见，如果不能观测或组织不够清晰应重新磨制原观测面后再抛光腐蚀，直 至能清晰地看到金相组织。然后用 OLMPUS-BH-2 三目金相显微镜对每个试样的渗硼层、 过渡层和基体照金相照片，记录好拍照时的放大倍数和试样编号，保存好照片记录好数 据以备分析，实验结束后整理好实验仪器。 2.2.4 显微硬度的测量 显微硬度计，实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测定之前， 先准备好金相试样，置于显微硬度

43、计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石 压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在 试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑两条对角 线长度。仪器根据所加负荷及凹坑对角线长度就可自动计算出所测物质的显微硬度值。 本实验加载载荷为 1kg，加载时间为 15s，加载和卸载完全自动化，每次测量后记录好试 样编号和两对角线长度，输入到硬度计上面显示出显微硬度，记录好显微硬度值，重复 操作，每个试样观测 9 个位置，包括渗硼层组织、过渡层组织和基体组织的显微硬度， 整理好实验数据。操作硬度计的过程中要遵守操作规范，实验结束后整理好实验

44、仪器。 3 实验结果与分析 3.1 渗硼层的显微组织观察 渗硼层的显微组织如图 3.1。从图中可以看出渗硼层全由白亮层和黑白相间的过渡 区组成。很明显 20 钢的渗硼层比 40Cr 的厚。 图 3.1 渗硼层的金相组织（9205h） (a)(c)20 钢 (b) (d)40Cr 钢铁渗硼后，渗层由单相 Fe2B 相或者双相 Fe2B、FeB 相组成，典型的显微组织呈梳 齿状，其方向与试样表面相垂直，齿尖插入基体组织中。硼化物的组织形态随着钢的成 分和渗硼工艺的不同而变化。一般而言，随着碳原子和合金元素的增多，硼化物的针状 楔入长度变短，与基体交界处变的平坦。 合金元素对渗硼层的影响可分为两大类

45、：一类能或多或少的与渗层结合，如： Cr、Ni、Mn、V、Mo、Co。另一类不能溶于渗层并被排斥到扩散层的前沿，如 C、Si、Al、Cu。碳作为重要的合金元素，并不与渗层结合。它沿渗层前沿排斥到基体中。 当硼含量足够高时会取代部分碳形成 Fe3(C，B)和 Fe23(C，B)6型含硼的渗碳体和合金元 素铬能置换硼化物中的铁形成含铬的硼化物(Fe，Cr)2B 和(Fe，Cr)B，铬在 Fe2B 中的最 大溶解度为 15%。铬含量越高，渗层厚度越薄，基体与渗层间的界面变的平坦。但含铬 的硼化物硬度更高。镍与铬一样能置换硼化物中的铁形成(Fe，Ni)2B 和(Fe，Ni)B。在其 他条件相同的情况下

46、，镍含量越高，渗层越薄。但镍的这种效应不如铬的明显，其溶入 不能提高硼化物的硬度。铝和硅均不溶于渗硼层中，它们积聚在硼化物针的前沿，使过 渡区变软，渗层缺乏基体的必要支撑。因此，含硅量高于 0.8%的钢不适于渗硼。 白亮层为硼化物层，由图 3.1 可知 20 钢的渗硼层的梳齿状明显,我们认为形成这种 渗硼组织的原因是,对低中碳钢,在 920 的条件下,已完全奥氏体化,碳原子溶解在 - Fe 的间隙中。由于成分起伏,即从微观上看,-Fe 中溶解的碳原子在数量上是不完全均 匀的,而渗硼是一个先扩散、待硼浓度达到饱和后形成硼化物的过程,因此在硼原子渗入 过程中,含碳量不同的 -Fe 对硼原子渗入的阻

47、力是不同的,含碳量小的区域,渗硼的速度 就快,反之则慢。另外,由于硼针在长大时,改变了 -Fe 中碳原子的间隙分布,碳原子向 其他方向扩散,造成了更大的成分起伏。硼针左右和前方的碳原子浓度增加,抑制了左右 硼针的生长速度,因此渗硼层出现了明显的梳齿状。硼针之间由于碳原子的集聚产生黑色 组织。对高碳钢及合金钢也可能成为白色组织。 图3.1中40Cr（200）的白亮层为硼化物层，该层较薄，没有呈现柱状晶形态，其 前沿较平齐，不呈现梳齿形状，渗层中存在空洞、疏松。这是由于钢中碳和合金元素Cr 阻止了B原子的扩散，减小了硼化物择优取向性，同时Cr元素所形成的碳化物、硼化物也 阻止了硼化物前沿向内的生长

48、，故硼化物层薄且不呈齿状。渗层中存在空洞和疏松，是 由于高温下材料表面“空位”浓度高，硼化物定向生长过程中空位被驱赶集成小孔，再 加上钢中杂质或碳、硅原子、渗剂中的杂质原子被挤入小孔内或硼齿之间的缘故。 硼化物层主要由FeB相、Fe2B相、(Fe、Cr)2B相、细小的(Fe、Cr)3C相和块状的 (Cr、Fe)7C3相以及裹在(Cr、Fe)7C3相或(Fe、Cr)7C相表面的(Fe、Cr)23C6相组成。 (Fe、Cr)2B相的出现是由40Cr钢中Cr元素含量较多，在渗硼过程中，部分Cr原子取代Fe 原子形成(Fe、Cr)2B相。细小的(Fe、Cr)3C相和块状的(Cr、Fe)7C3相则是原始

49、组织中的 组成相。而(Fe、Cr)23C6相则是由富集于Fe2B相前沿的碳原子依附于 (Cr、Fe)7C3相或 (Fe、Cr)3C相表面形成的。黑白相间的过渡区范围较窄，组织细小。该区主要存在有须 状(Fe、Cr)2B相、块状(Cr、Fe)7C3相、粒状(Fe、Cr)3C相、岛状(Fe、Cr)23C6相及屈氏体 等。这些碳化物及硼化物相的存在既强化过渡区的组织，又细化了过渡区的组织，从而 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。 3.2 显微硬度分析 3.2.1 显微硬度 从图3.2.1中可知:虽经两种不同材料的渗硼工艺处理，但渗硼层的显微硬度都呈梯度 分布，硬度最高的部位

50、都出在次表层，而非最外层，说明渗硼层均具有外表层疏松，中 间致密的组织特征。而过渡区的硬度高于基体，是由于过渡区的碳、铬原子增多，使得 过渡区的碳化物及屈氏体含量增多之故。 020406080100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 40Cr 20# 图3.2.1(横坐标:距表面的距离/m;纵坐标:显微硬度/HV 条件:9205h) 渗硼的渗层组织从表至里依次为 FeB-Fe2B-过渡层-心部基体组织。即由渗硼层，过 渡层和基体组织 3 部分组成。渗硼温度在(900-1000)下，铁硼系中可能出现 、Fe2B 和 FeB 等相。硼在 相，即在

51、奥氏体中的溶解度甚微(质量分数小于或等于 0.008%)， 在渗硼过程中，钢铁的奥氏体很快被硼饱和，并立即形成 Fe2B 化合物。如果渗硼剂的活 性较高，并且渗硼时间充足，将在 Fe2B 层的外侧形成含硼量更高的 FeB 化合物。钢件渗 硼后，渗硼层通常为单一的 Fe2B 归化合物或由 Fe2B 和 FeB 构成的双相化合物层。Fe2B 和 FeB 通常为齿状，且垂青于钢件表面楔入基体。 由于碳及大多数合金化合物不能溶解于铁硼化合物(Fe2B 和 FeB)中，在钢件渗硼过 程中，随着硼化物的形成，钢表面的大部分碳及合金元素被排挤至内侧，因而在紧靠硼 化物的内侧将出现一个碳及合金元素富集并再分配

52、的扩散层(过渡区)。因此，钢件渗硼 以后的金相组织从表面到心部，随着硼元素的浓度不同依次为 Fe2B-FeB-扩大层-过渡层- 心部基体。 这两种材料渗硼层的显微硬度差别明显,我们认为其原因是: Fe2B是一种成分稳定的 化合物,有一定的晶体结构,对Fe2B单晶体,它的硬度是一定的。而上述两种材料渗硼层的 显微硬度明显不同,因此可以推断上述几种材料的渗硼层必然在致密度、缺陷及杂质方面 存在差异。即对中碳钢40Cr,三根相邻的硼针在生长时,由于受到成分起伏的影响,左右两 根硼针得到优先发展,中间硼针的生长受到抑制,最后三根硼针合并成一个大硼针,而将许 多块富碳的-Fe 组织包围在硼针内。对一根硼

53、针来说,在生长过程中包含很多次的合并。 对低碳钢20钢，在同样的渗硼条件下,渗硼速度较快,更容易形成周围富碳的-Fe组织, 这种组织在淬火后和硼针之间及前端的黑色组织在显微硬度上大致相同,远低于周边白亮 色硼针的显微硬度。而低碳钢中白亮色硼针本身也含有大量细小的富碳-Fe组织,降低 了渗硼层的显微硬度。 3.2.2 渗硼温度对渗硼层显微硬度的影响 图3.2.2为渗硼温度与渗硼层显微硬度的关系曲线 1020304050 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 920 900 图3.2.2不同渗硼温度的试样显微硬度曲线(横坐标:距表面的距离/m;纵坐标:显

54、微硬 度/HV;保温时间: 5h) 从图中可知，渗硼时，渗硼温度升高，渗硼层的显微硬度增高。这是由于升高渗硼 温度，可增加渗硼层的厚度，同时使表层生成更多高硬度的FeB相之故。 3.2.3 保温时间对渗硼层显微硬度的影响 图3.2.3为渗硼温度与渗硼层显微硬度的关系曲线 从图中可知，渗硼时，保温时间的延长，渗硼层的显微硬度增高。这是由于保温时 间的延长，渗硼层厚度增加，同时使表层生成更多高硬度的 FeB 相之故。 01020304050 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 5h 4h 图3.2.3 不同渗硼温度的试样显微硬度曲线(横坐标:距表面的距离/m;纵

55、坐标:显微 硬度/HV;保温温度: 950) 3.3 渗层的耐磨性 01020304050 0 2 图 3.3.1 40Cr 磨损曲线(横坐标:磨损时间/h;纵坐标:质量损失/g 圆点代表未渗硼的 40Cr;正方形代表渗硼后的 40Cr) 01020304050 0 2 4 图 3.3.2 20 钢磨损曲线(横坐标:磨损时间/h;纵坐标:质量损失/g 圆点代表未渗硼的 20 钢;正方形代表渗硼后的 20 钢) 为了研究渗硼层耐磨性，将试样经多种不同工艺处理后，在室温条件下，在 ML-100 型磨料磨损试验机上进行磨料磨损试验。加载 100N，圆盘转速 6O0rpm，磨料为焦炭，每 12 小时称

56、重一次，试验结果见图 3.3.1 和图 3.3.2。 从图 3.3.1 和图 3.3.2 中可知:未经渗硼，只经过淬火、回火的试样，其磨损曲线几乎 呈直线，即质量损失与磨损时间成正比;而其余渗硼试样，其磨损曲线呈抛物线。即渗硼 试样在磨损初期 24h 内，质量损失极小,之后，质量损失显著增大。这是由于在磨损初期 渗硼层尚在，后期渗硼层消耗追尽所致。经渗硼的试样，其表层耐磨性最高;而没渗硼的 试样其表层耐磨性差。 3.4 渗层组织的缺陷 3.4.1 内裂纹 试验表明，渗硼层中极易出现裂纹，一般出现在次表层 FeB 和 Fe2B 的界面上，且与 表面平行，见图 3.4。产生的原因:一是磨削引起的;

57、二是由于在 FeB 和 Fe2B 的相界上存 在有较大的应力，而 FeB 又是脆性相所致。 图 3.4 渗硼层中的内裂纹 3.4.2 渗层厚薄不均 渗层出现厚薄不均，主要原因有:(l)渗剂混合不均匀，(2)钢件表层局部成分有偏析 (3)介质活性差。 3.5 渗硼层的脆性 3.5.1 渗硼层本质脆性 渗硼层一般由 FeB、Fe2B 两相组成，它们都具有本质脆性，但 FeB 相的本质脆性比 Fe2B 大。对 FeB 相的价电子结构分析表明，FeB 空间键络的分布极不均匀，最强键与最 弱键的 n 值相差16 倍，Ea 什相差 12 倍，而 Fe2B 的最强键与最弱键的 n 值相差 3 倍， Ea 值

58、仅 4 倍，所以，FeB 相在外力作用下，弱键极易断键，形成脆性裂纹，造成本质脆 性增大。因此，渗硼避免双相渗硼，而多希望单相渗硼。然而由于 Fe2B 也具有本质脆性， 使得渗硼层脆性也较大。对 Fe2B 相价电子结构计算结果表明，其空间键络分布是不均匀 的，沿002位向的 Fe-Fe 原子间存在最强键，其共价电子对数 n=0.3852，键能 E=15.737KJ/mol，最强键将 Fe2B 原子配位团与最近邻原子配位团相互牢固连结，沿002位 向的 B-B 原子键较弱，n=0.3852，E=4.5052KJ/mol。002位向是 Fe2B 晶体生长的的择 优位向，恰由 B-B 弱键相连，则在

59、外力作用下，此位向的 B-B 键易于断裂，即原因。 3.5.2 渗硼层中致脆组织形态 由于扩散温度高，渗剂与试验用钢不可能很纯净，使得硼化物亚表层中有许多孔洞 疏松，这是先天裂纹源，会加剧脆性。另外，如果过渡层组织形态不当，也会增加工件 的表观脆性，如过渡层组织粗化会降低韧性;硼化物前沿若出现低强度的富硅铁素体，则 在高负荷或高冲击力作用时，因其支撑能力弱会引发渗层压溃性碎裂;过渡层太厚，淬火 会增大渗层中的残余拉应力，加剧“沿晶断裂” 。 3.5.3 渗硼层中的致脆碳化物 高碳高合金钢扩渗时，硼化物生长按包围机制包围残存碳化物;在硼化物生长界面前 沿奥氏体微区逐渐富碳，若碳浓度达到扩渗温度时

60、的形核饱和度，该处便有碳化物沉淀; 达不到饱和碳浓度的奥氏体微区，高温下是稳定的，按包围机制被硼化物包围，在随后 的冷却中将转变成珠光体类组织。尺寸较大呈沿晶分布的碳化物起致脆作用。 4 结论 本实验通过对金属表面渗硼的工艺研究得出如下结论: （1）渗剂配方中各成分的不同,得到的渗层质量也不同,渗硼时间与渗硼温度的不同, 渗层的厚度也有明显的差别。普通渗硼是合适的工艺参数是 9205h。随着渗硼温度 的升高，渗硼层均增厚;随着保温时间的延长，渗层增厚，在 5h 保温时间内，渗层增厚 显著;超过这一保温时间，随着保温时间的进一步延长，渗层增厚不显著。 （2）无论是哪种工艺渗硼，得到的渗件均由渗硼