以渗硼为主的交流电场增强粉末法硼铝共渗工艺优化

研究750 ℃时采用不同配比渗剂的以渗硼为主的交流电场增强粉末法硼铝共渗(ACFPBA)特性。通过观测分析渗层组织、相、厚度及沿层深的显微硬度分布,发现铝粉对交流电场增强粉末法硼铝共渗具有促渗作用,促渗效果不仅与渗剂中铝含量有关,还与硼铁含量有关。施加最佳铝粉量,对较低硼铁含量渗剂的促渗效果显著优于对较高硼铁含量的;对硼铁含量较低、在交流电场单一渗硼时获得Fe₂B单相渗层的渗剂,加入≥0.5%铝粉,所得渗层由FeB和Fe₂B双相组成,近表层硬度提高;在其他条件相同时,在含6%硼铁的渗剂中加入1%铝粉,经4 h电场增强共渗,得到约70 μm渗层且硬度曲线分布平缓,而相应单一渗硼的渗层厚度仅约26 μm。     

65Mn钢渗硼层的微观组织、硬度及生长动力学

采用固体渗硼工艺对65Mn钢进行渗硼处理,并借助光学显微镜、X射线衍射仪、电子探针及维氏硬度计等手段系统研究了渗硼温度(800~1000 ℃)和渗硼保温时间(2~8 h)对65Mn钢渗硼层厚度、微观组织和硬度的影响规律以及渗硼层的生长动力学。结果表明,随着渗硼温度的升高或渗硼时间的延长,渗硼层的厚度不断增大,但当渗硼温度超过900 ℃时,渗硼层中黑色孔洞的数量、大小以及距离渗硼层表面的深度都逐渐增大。65Mn钢渗硼层都由Fe₂B柱状晶,以及位于Fe₂B柱状晶生长前沿及晶粒间的Fe₃(B,C)相、二元铁硅化合物和三元铁碳硅化合物组成,其维氏硬度(800~1590 HV0.05)远大于65Mn钢基体的硬度(238 HV0.05)。由于硬度较低的Fe₃(B,C)相和富硅相分布于高硬度的Fe₂B柱状晶晶粒之间,导致渗硼层的硬度并不随离渗硼层表面距离的增加而单调减小。渗硼层厚度的平方与渗硼时间呈线性关系,B原子在65Mn钢渗硼层中的扩散激活能为220.96 kJ/mol。     

45钢直流电场增强粉末法渗硼层相结构与性能

在粉末渗剂和45钢试样上施加4 A电流的直流电场,于800℃进行直流电场增强渗硼。以X射线衍射、光学显微观察和显微硬度测试等手段,分析位于电场不同位置试样渗硼层的相结构、显微组织、厚度与及显微硬度分布。结果表明:电场渗硼的渗层组织形态基本与常规渗硼的一致,以锯齿状楔入基体,但其相结构、显微硬度分布、厚度等与试样位置有关;朝正极面的渗层一般由Fe B和Fe2B两相组成,渗层较厚且较硬;朝负极面的渗层主要由Fe2B组成,随渗硼时间延长Fe B先增加,后减少至消失;渗硼时间等于及超过2 h,渗层下出现明显的过渡区;渗层厚度与保温时间关系曲线呈抛物线特征。从直流电场对渗剂化学反应、含硼活性基团在气氛中的扩散及硼在试样内扩散的影响等方面进行了分析。     

AISI 410钢膏剂渗硼工艺渗层的组织与性能

通过膏剂渗硼工艺对AISI 410钢进行表面强化,分析了渗硼层的组织形貌,并测试了其硬度、耐磨损性能以及耐腐蚀性能。结果表明,渗硼层主要由FeB、Fe₂B相组成,渗硼层/母材的结合界面较平坦;渗硼层外渗区硬度达1400 HV0.5以上,内渗区硬度达1100 HV0.5以上;渗硼处理后试样表面摩擦因数和截面磨痕面积显著减小,耐磨损性能得到改善;在电化学腐蚀试验中,渗硼试样自腐蚀电位大于母材试样、自腐蚀电流密度小于母材试样,说明渗硼处理降低了AISI 410钢表面的腐蚀倾向,其表面耐蚀性得到提高。     

铝对45钢交流电场增强中温粉末法硼铝共渗的影响

以45钢为处理对象进行800℃交流电场增强粉末法硼铝共渗研究。利用光学显微镜、X射线衍射仪和显微硬度计对共渗层组织、厚度、相与显微硬度进行观察和分析。结果表明:随渗剂中铝粉含量由0增至5%,渗层厚度先增加后降低再增加,渗层组织由渗硼特征逐渐过渡到渗铝特征,表层相依Fe2B→Fe B→Fe3Al+Al N顺序发生变化;呈现渗硼组织特征的共渗层表层硬度约为1200~1800 HV0.05,呈现渗铝层组织特征的共渗层表层硬度约500 HV0.05;在低硼势渗剂中添加1.8%铝粉并施加2 A电流的交流电场,使渗层厚度较相应常规渗硼的增加约2倍,较相应常规硼铝共渗的增加约70%。     

铬对交流电场增强粉末法渗硼层组织和性能的影响

在低硼势粉末法渗硼剂中加入适量的铬粉,于750 ℃对45钢进行交流电场增强渗硼,研究Cr对电场增强粉末法渗硼的影响。采用光学显微镜、X射线衍射仪和显微硬度计对渗层组织、厚度、相与显微硬度进行观察和分析。试验结果表明:采用含3%硼铁的渗剂,渗硼层为典型的锯齿状硼化物,主要为Fe₂B相;当渗剂中加入微量铬粉时,最高硬度基本不变,渗层厚度增加,且在铬粉含量为0.2%时达最厚,较不加铬粉的提高约80%,之后降低;当铬粉含量高于3%后,渗层的最高硬度降低;当加入的铬粉≥5%时,渗层表层还出现多种含铬相。     

直流电场增强粉末渗硼特性研究

将20钢和45钢试样置于渗罐中平行的板状正负电极上及靠近和远离电极的部位,并施加一直流电场,以研究800℃时直流电场在粉末渗硼中的作用。试验结果表明,直流电场对渗罐内不同位置试样及同一试样的不同部位的渗硼作用不同,远离电极的试样渗硼速度比常规渗硼的还要低;从正极到负极,直流电场的促渗作用逐渐增强,直流电场促进试样渗硼的作用主要表现于面向正极的试样面。这种结果是由直流电场对渗硼过程中渗剂的化学反应、含硼活性基团及硼的扩散的影响所决定的。     

交流电场增强45钢中温粉末法硼铝共渗特性

为克服传统粉末法硼铝共渗存在的处理温度高、渗速慢以及渗剂利用率低的缺点,研究以交流电场加速中碳 45 钢中温粉末法硼铝共渗。 分别采用光学显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜能谱仪和显微硬度计等观测共渗层厚度、组织、相结构、成分分布及硬度分布,研究电场对共渗的影响,分析硼、铝的交互作用。 研究发现:交流电场对硼铝共渗的促进程度与渗剂配比有关;当渗剂中铝粉的质量分数低于 3%时,共渗以渗硼为主,共渗层组织主要为表层含铝的锯齿状硼化物,铝促进硼化物生长,在施加交流电场时表现更为显著,当电场电流为 2 A 时,铝的促渗作用在铝粉的质量分数为 2%时达到峰值,渗层厚度约为相应不加铝粉的 3 倍,而当电场电流增至 6 A 时,渗层厚度约为相应不加铝粉的 10 倍, 增加电场电流会增加渗层次表层的硬度;当渗剂中铝粉的质量分数≥3%时,共渗以渗铝为主,渗层组织表现为渗铝特征,但渗层厚度远比相应单一渗铝的薄,交流电场的促渗作用不显著。     

1Cr13不锈钢硼-碳复合渗工艺及其性能

对1Cr13马氏体不锈钢进行950 ℃预渗碳6 h复合不同渗硼工艺处理,通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及配套能谱分析仪(EDS)、显微维氏硬度计、XRD、电化学工作站等研究了复合渗工艺以及最终热处理对硼碳复合渗层组织和性能的影响。结果表明,1Cr13钢最佳硼碳复合渗工艺为950 ℃固体渗碳6 h复合950 ℃固体粉末渗硼6 h,在此工艺下,渗硼层硬度高达1436 HV0.1,交界层硬度为924 HV0.1,预渗碳层硬度为630~910 HV0.1,基体心部硬度为560～590.7 HV0.1,复合渗层硬度梯度整体较为平缓。EDS检测得出交界层Cr元素含量最高,其质量分数为13.49%。XRD物相检测得出渗硼层中主要是硬度高且脆性较小的Fe₂B相,存在少量FeB和CrB相。复合渗试样与原样的腐蚀电极电位相比提升了0.104 V,硼碳复合渗工艺提高了1Cr13不锈钢的耐腐蚀性能。     

氩弧重熔Q235钢B-C-N共渗层的组织结构及耐磨性

采用粉末包埋法对Q235钢进行B-C-N共渗,并对共渗层进行氩弧重熔。观察共渗层和熔覆层的显微组织并进行结构分析,测试共渗层及熔覆层的显微硬度和耐磨性。结果表明：共渗层的显微组织由FeB、Fe₂B、Fe₃B、Fe₂N、Fe₈N和Fe₃C相组成,氩弧重熔层形成了新相Fe₂₃(B, C)₆和Fe₃N等;共渗层显微硬度最高值为1198.4 HV0.1,重熔层的最高硬度值为1192.8 HV0.1,但硬度梯度变化平缓;共渗层、氩弧重熔层相对基体的耐磨粒磨损性能分别为2.77、3.76倍;共渗层、氩弧重熔层相对基体的耐粘着磨损性能分别为1.95、3.23倍,摩擦因数分别为0.502、0.462,较基体均有所下降。     

硼含量对Fe2B-Mo2FeB2基金属陶瓷微观组织与性能的影响

采用真空烧结工艺制备了4种不同硼含量的Fe₂B-Mo₂FeB₂基金属陶瓷,研究了硼含量对金属陶瓷烧结特性、微观组织与力学性能的影响规律。结果表明,所有试样主要由Fe₂B相、Mo₂FeB₂相和Fe₃B相组成;随着硼含量的增加,烧结过程中形成的液相L1含量逐渐减少,金属陶瓷的最佳烧结温度逐渐升高;并且金属陶瓷的硬度和横向断裂强度也都呈增大的趋势,其中硬度和横向断裂强度的最大值分别为88.52 HRA和685.74 MPa;Mo₂FeB₂相与Fe₃B相(或Fe₂B相)的复合组织在断裂过程中延长裂纹扩展路径,并且长棒状的Mo₂FeB₂相从Fe₃B相(或Fe₂B相)中的拔出都有助于金属陶瓷横向断裂强度的提高。     

碳化硼对粉/丝复合堆焊高硼铁基合金组织结构的影响

为了探讨合金元素B,C对高硼铁基堆焊合金组织结构、裂纹敏感性的影响,采用粉/丝复合堆焊技术配合不同B₄C含量合金粉体制备高硼铁基堆焊合金,通过显微组织结构、微区成分、显微硬度及宏观硬度试验检测,分析不同B,C元素含量及配比的堆焊合金组织与性能. 结果表明,高硼铁基堆焊合金由α-Fe,Fe₂B,Fe₃(C,B)相组成,随着B₄C的添加,初晶岛状α-Fe消失,菱形初晶Fe₂B、粒状Fe₃(C,B)析出,鱼骨状、条状共晶状组织α-Fe+Fe₂B体积分数趋于减小并消失,菊花状α-Fe+Fe₂B+Fe₃(C,B)包晶组织成为堆焊合金的主体. 高硼铁基合金中硼、碳的含量及配比是影响堆焊合金组织结构、裂纹敏感性的原因之一,约30%合金粉体(含35%硼铁粉、5%B₄C)配合约70%H08Mn2Si焊丝获得的堆焊层,可有效抑制堆焊裂纹的出现,并可获得稳定的高硬度值66 HRC.     

Novel pack cementations: direct current field assisted pack cementations

Abstract

Direct current field (DCF) assisted pack cementation processes are designed to overcome the problems of higher processing temperature and longer time in conventional pack cementations (CPCs). Anode and specimen as cathode are parallel with each other, and are embedded in powder agents, all of which are sealed in a stainless steel box. Effects of DCF on pack cementations, including boriding, nitrocarburising, aluminising, siliconising and chromising, have been investigated by applying DCF between the electrodes during soaking. The results indicate that DCF can greatly enhance all these cementations. Effective pack cementations can be carried out at a lower temperature and/or by shorter soaking time with the help of DCF. Direct current field endows the treated specimen with properties being the same as or superior to that by CPC. It is proposed that DCF makes the concentrations of required element at and around the cathode specimen’s side facing the anode much higher than in any other positions in the CPC process by forcing required element containing species diffusing towards the cathode, which leads to reduction of the absorption of the required element by inner wall of the box and the non-working surface of the specimen. The physical effects of the DCF on the enhanced cementation are discussed.     

氮气保护粉/丝复合堆焊高硼铁基合金的组织及结构

为改善高硼铁基堆焊合金韧性不足、易引发裂纹的问题,采用N₂保护堆焊并添加氮化铬铁的方式引入合金元素N,同时添加强氮化物形成元素,制备高硼铁基堆焊合金,通过显微组织结构、微区成分、硬度等试验检验,分析合金元素N对高硼铁基堆焊合金组织与性能的影响. 结果表明,氮气保护堆焊高硼铁基合金由初晶Fe₂B、共晶α-Fe+ Fe₂B及粒状复合物M(C,N)组成,N元素的引入促使大量粒状复合物M(C,N)析出,有效细化初晶Fe₂B相,抑制堆焊裂纹的出现. 堆焊合金的宏观硬度也因氮的引入而达到67.8 HRC,但过多的氮会导致Fe₂B生长不完全,硬度略有下降.     

交流电场对工业纯钛TA2粉末法渗氧的影响

在650℃进行工业纯钛TA2的粉末法渗氧,通过渗罐内一组平行电极,对渗剂和TA2试样施加交流电场,进行交流电场增强粉末法渗氧。研究发现,以尿素作为供氧剂的粉末法渗氧生成的渗层表层主要由TiO₂组成,还有少量Ti₂N和固溶氧的α-Ti;交流电场能够大幅度提高纯钛的渗氧效率,随电场电流增加,渗层厚度、硬度增加,沿层深硬度分布改善;在电场电流为2 A和渗剂含2%尿素时,6 h渗扩所得渗层厚度约46μm,渗层峰值硬度约1150 HV0.01。交流电场的物理作用能够强化渗氧剂中的反应,从而增加氧原子及含氧活性基团的产率和活性;交流电场通过提高试样内部的空位浓度,为氧原子的扩散提供更多通道;这两个因素加快氧向试样内部扩散。这种新技术可以在较低温度对钛进行高效渗氧处理,减少工件畸变。     

不同表面处理的H13钢耐铝液腐蚀的对比分析

H13钢试样经真空热处理后,分别对其进行渗氮和碳氮硫共渗处理,然后浸入700 ℃高温熔融铝液中进行腐蚀试验,并对腐蚀前后试样的截面组织形貌、质量损失及相成分进行了详细分析。结果表明:渗氮试样与碳氮硫共渗试样的渗层界面结合方式相似,渗层光滑致密,与基体分界较为平整。碳氮硫共渗试样的表面化合物区存在Fe₃N、Fe₂N、FeS、Fe₃C相,其中FeS相是典型的密排六方晶体结构,且硬度较高;渗氮试样表面化合物区存在Fe₃N、Fe₂N相,渗层的表面硬度高于碳氮硫共渗试样。在相同的腐蚀条件下,真空热处理试样的质量损失为7.5 g,质量损失率为21.1%,渗氮试样的质量损失为4.1 g,质量损失率为11.2%,碳氮硫共渗试样的质量损失为0.8 g,质量损失率为2.2%。试样中的铁铝化合物呈锯齿状嵌入基体,厚度分别为184.75、88.56和35.88 μm;经铝液腐蚀后的主要化合物均为Fe₂Al₅,其中碳氮硫共渗试样由于S、C的加入,可与H13钢基体形成FeS和Fe₃C,表现出最佳的耐高温铝液腐蚀性能。