固体渗硼综合实验方案设计

1、固体渗硼综合实验方案设计1、 导论通过对在实验中得到的数据的整理，获得了以下两个重要结论：45钢加热温度在800900之间，保温26h后，渗硼层厚度为38234m，渗硼层显微硬度为801.92425HV，渗层的形貌为锯齿状。在接近表面的地方，存在孔洞和微裂纹并且渗硼层为单相的Fe2B相。渗硼层厚度与加热温度T和保温时间t的关系曲线图。对实际生产和教学实验都有现实的参考和指导意义。二、实验目的1） 通过金相观察和显微维氏硬度的方法研究不同温度、不同保温时间对45钢渗硼层组织的影响。2） 探究给定固体渗硼剂对45钢渗硼的最佳工艺参数。观察渗硼样品淬回火后渗硼层剥落情况。三、实验原理由铁硼二元相图（

2、图1）可知，硼在钢中的溶解度极低，在不同温度下可与钢形成、和固溶体,其最大溶解度不超过0.02%；在渗硼层中，硼原子和铁原子可形成两种类型的化合物，当渗层的硼含量达到9%时，形成Fe2 B化合物层，当渗层的硼含量达到9%16%时，就形成Fe2B和FeB两种化合物的混合层。其中，Fe2B是正方面心晶系，硬度为12901680 HV，脆性较小。FeB为斜方晶系，硬度为18902340HV，脆性较大。从实际使用出发，希望获得单一的Fe2 B相的渗硼层。要实现渗硼，一般来说，有三个基本过程所组成，即化学介质 (渗剂) 的分解，产生活性B原子；活性B原子被金属表面所吸收；以及渗入元素向金属内部的扩散，这

3、三个过程是既分开，又是相互联系、相互制约的过程。碳化硼、氟硼酸钾渗剂的反应：2KBF4+B4C+O2=K2O+4BF2+2B+CO，式中的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。第三个过程减少表面硼含量使之增加硼渗层之深度，如果分解和吸收进行的很强烈，除了有足够数量的硼原子供给向内层扩散外，还余下很多硼原子使之增加表面浓度，这样就很容易使表层硼浓度超过9%而形成Fe2B和FeB两相化合物层。所以形成Fe2B单相组织的条件是：当表层硼浓度接近9%时，要使吸收硼原子的数量和向深处扩散的硼原子数量接近相等，当然这种理想状态是难于实现的，但可以适当控制渗硼剂

4、的活性，使表层硼浓度的递增速度趋于缓和，这样在不太长的渗硼时间下，就可避免两相脆性层的出现。渗硼温度：一般在850到1000之间，随着渗硼温度提高，可以使渗硼速度加快、渗层增厚并缩短渗硼时间，但不能超过1000，因为温度过高会引起晶粒粗大并使渗层疏松。渗硼时间：一般为3到5个小时，最长不超过6个小时。最有实用价值的渗硼层厚度为70150m，因此保温时间不宜过长。保温时间过长在渗层厚度增厚不明显的情况下使基体晶粒长大，渗层脆性增加，渗层与基体结合力弱。四、实验方法实验材料采用45钢，预先对其进行调质处理，去除氧化皮后制成10mm X10mmX 10mm的试样。实验采用渗硼剂成分为：供硼剂B4C、

5、催渗剂KBF4、填充剂SiC，以及少量防止渗剂结块的Mn-Fe合金粉末。将试样表面抛光后，与渗剂一起装入刚玉坩埚，试样间保持一定间隔，然后放入箱式电阻炉进行实验。渗硼实验工艺：分别在850、900、950下保温4h，冷却方式是随炉冷。每组实验试样数量为2。试样冷却后，将每组其中一个试样镶嵌、打磨、抛光之后经侵蚀剂腐蚀制备成金相试样。使用金相显微镜对渗层进行观察、测量、拍照，使用显微维氏硬度计测量试样硬度。每组另一个试样重新加热淬水并回火，之后观察金相并使用显微维氏硬度计测量试样硬度。45钢淬回火工艺参数为：840淬火，200回火1h。渗硼层侵蚀剂配方：1%苦味酸酒精溶液10份+2%硝酸酒精1份

6、。使用时只需用棉球蘸一下配好的溶液,在试样上反复轻轻地擦拭数秒左右,便可得到渗层组织的全貌。这种腐蚀剂使用操作简单,易于掌握,适用于一般渗硼层组织的金相检验。五、实验材料供硼剂B4C催渗剂KBF4填充剂SiC，以及少量防止渗剂结块的Mn-Fe合金粉末显微维氏硬度计刚玉坩埚。六、实验数据编号渗硼温度淬回火工艺最外层硬度次外层硬度心部硬度1850无85.8无78.12900无98.785.488.63950无10995.289.24850840淬火200回火1581191055900840淬火200回火11096.91066950840淬火200回火120.5164103表1 实验工艺与显微硬度

7、7、 实验数据分析1、金相45钢渗硼的金相组织形态为锯齿状,且垂直于表面楔入基体。2、在相同的渗硼温度（900）下,渗硼时间越长渗硼层越厚。3、在相同的渗硼温度（9000）下,渗硼时间越长，渗硼层硬度越高。这些结论说明渗硼后工件表面形成铁的硼化物，具有很好的硬度，使工件的寿命成倍的提高，显示了巨大的技术、经济效益。八、结论通过对45钢实验室固体形变渗硼技术的研究，通过查阅相关资料以及做实验和对数据的分析与讨论，我们得出：但本课题在研究过程中现了很多不足:渗硼层组织中的缺陷主要有：渗硼层过薄；渗硼层生长不连续：渗层中有裂纹、孔洞、硼齿分叉及渗硼层组织疏松等，另外还观察到呈不连续状态的硼化物生长现

8、象。渗硼处理后的渗硼层太薄、厚度不均匀甚至不连续时渗硼层脆性大容易剥落而且耐磨性、抗蚀性都很差在承受较大的挤压应力和疲劳强度的机器零件上，渗硼层极易剥落。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。而控制渗硼层厚薄不均匀现象可通过改善介质的活性、均匀混合固体渗剂等措施实现。具有较多空洞的渗硼层，抗蚀性差。减少渗硼层孔洞的措施：(I)控制渗硼的温度，不能使渗硼温度过高；()减少渗剂成分中氧化性气氛的组分。采用粒度为0.51.5mm的活性炭粉作为填充剂可减轻多种活化剂造成的渗硼层疏松现象。渗硼层出现裂纹是由于渗硼层中FeB、Fe2B两相与基体的膨胀系数各不相同，冷却时在相界