固体渗硼工艺及渗硼层耐磨性能的初步探讨

本文介绍了几种钢种在使用相同渗硼剂条件下,渗硼工艺的试验结果,并对渗硼层的组织和性能进行了比较,为生产上的选材和确定合理的渗硼工艺参数提供试验依据。     

渗硼层脆性及剥落探讨

渗硼层较大的脆性和剥落,是使渗硼工艺迄今不能普遍应用的重要原因。本文用声发射技术结合抗弯试验、金相及宏观分析,对双相(FeB+Fe_2B)渗硼层的脆性和剥落及渗硼对抗弯强度的影响,进行了研究。实验表明,用声发射技术结合抗弯试验,是研究渗硼层脆性的好方法。声发射计数率的高低与裂纹数量和扩展情况有关,渗硼层的大量剥落,使声发射计数率降低。剥落主要是由平行表面裂纹造成的。双相渗硼层的脆性很大,均在大大低于心部材料弹性极限以下的应力下产生裂纹,而且其脆性因渗硼配方,温度,冷速和热处理工艺不同而别。渗硼使 Cr12钢断裂强度降低二倍以上,使低温回火的中碳钢断裂强度降低近一倍左右,但对高温回火的中碳钢无明显影响。     

对粉末渗硼法及其渗层组织特征的研究

本文通过大量的实验,对粉末法渗硼的渗剂成分的各自作用和相互间的反应做了较为详尽地分析。特别是对 KBF_4(氟硼酸钾)的作用做了重点分析。写出了渗硼过程中渗剂成分间相互反应的化学方程式,并以此为依据提出粉末渗硼的机理。同时揭示了渗硼中产生反常组织(K 型组织)的原因。又在理论研究的基础上归纳出几种适应不同使用条件的最佳粉末渗硼剂的配方。另一方面对渗硼层组织形态的显现与鉴别亦提出些与众不同的看法与做法。     

优化渗硼工艺参数降低渗层脆性

本文通过对5CrMnMo,GCr15,T12三种工具钢进行不同工艺渗硼,经脆性试验,优选合理的工艺参数,对应用具有实际指导意义。     

钛合金膏剂法渗硼

阐述了钛合金（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）膏剂法渗硼的工艺和性能，并讨论了加入稀土元素的影响，试验表明：膏剂中加入稀土元素，能增加渗层深度、提高渗层表面硬度和耐蚀性，降低渗层脆性和耐磨性．     

渗硼组织的共晶化

本文首先论述了渗硼组织共晶化的金属学基础,并通过实验验证了共晶化的发生过程。共晶化是由Fe_2B或Fe_3(CB)γ—Fe相界处开始,并受硼元素扩散控制的液化过程。最终的共晶组织形态和性能除与成分有关外,还与液化后的冷却速度有关。冷速愈快组织愈细、硬度愈高、韧性也愈好。因此,渗硼组织共晶化,很有希望成为一种新的表面强化方法。     

渗硼共晶化的研究

本文根据光学金相、扫描电镜、x—射线衍射、电子探针等分析发现,渗硼共晶化组织有两类共晶:(r Fe_2B)及[r Fe_3(C、B)]。渗硼共晶化处理后,工业纯铁及低碳铜生成r Fe_2B共晶,组织呈骨骼状;高碳铜生成[r Fe_3(C、B)]共晶,其中包有少量Fe_2B,组织呈菊花状;中碳铜是骨骼状与菊花状两种共晶的混合。耐磨性试验后证明:含Fe_2B共晶层的耐磨性侊于含Fe_3(C、B)共晶层;A_3钢的渗硼共晶层淬火后,在0.52m/s～1.843m/s摩擦速度范围内,其耐磨性优于硼化层Fe_2B。本文分别探讨了渗硼共晶层形成及磨损机理。     

4Cr13不锈钢渗硼工艺及渗层组织研究

采用添加稀土化合物及优化工艺参数的方法解决了4Cr13不锈钢渗硼问题。通过正交试验法获得4Cr13钢渗硼工艺为：温度为920℃，时间8h，最佳稀土加入量为0.5%(质量分数）。借助于金相显微镜、X射线衍射仪及显微硬度计，观察和分析了加稀土前后渗层的组织、表面和次表面的相结构以及渗层的显微硬度分布。结果表明：加稀土元素后，渗层厚度提高，硼化物的组织形态及致密度明显改善，表面获得以Fe2B、(Fe,Cr)2B为主的组织，渗层脆性降低。     

硼硫共渗对渗硼层组织和性能的影响

通过金相分析、硬度测试、磨损测定,研究了硼硫共渗对渗硼层组织和性能的影响。结果表明：在渗硼剂中加入Ｎａ２Ｓ２Ｏ３,对渗硼工艺过程具有促进作用,能降低渗硼温度,缩短渗硼时间,且硼硫共渗可降低摩擦系数,从而扩大了渗硼工艺的应用范围     

硼硫共渗对渗硼层组织和性能的影响

通过金相分析，硬度测试，磨损测定，研究了硼硫共渗对渗硼层组织和性能的影响。结果表明：在渗硼剂中加入Ｎａ２Ｓ２Ｏ３，对渗硼工艺过程具有促进作用，能降低渗硼温度，缩短渗硼时间，且硼硫共渗可降低摩擦系数，从而扩大了渗硼工艺的应用范围。     

稀土元素对渗硼动力学的影响

采用固体渗硼法对45钢和T12钢在1053～1213K分别进行单一渗硼和添加Nd2O3稀土渗硼。分析了稀土元素对渗硼动力学的影响。结果表明:稀土元素的加入有助于渗硼层中Fe2B相的形成,提高渗层中Fe2B相所占比例,改善渗层组织和性能。同时,加入稀土能够使硼的扩散系数增大,使扩散激活能降低,45钢中硼的激活能由184kJ/mol降到122kJ/mol,T12中硼的激活能由261kJ/mol降到155kJ/mol,分别降低了34%和41%,显著提高了渗硼速率。根据所得数据建立了45钢在添加w(Nd2O3)=5%稀土渗硼时的渗硼层等厚线图。     

气体渗硼层孔洞成因探讨

渗层易产生孔洞,是长期困扰气体渗硼发展的主要问题之一。本文通过对渗硼孔洞的电子探针扫描和气体渗硼的热力学分析证实:在BCl_3+H_2渗硼气氛中,孔洞主要是由Fe-Cl产物组成,气氛中的残留H_2O、O_2加剧了产物的形成。严格控制气氛中残留H_2O、O_2含量不仅可有效地防止孔洞的形成,而且可大幅度降低BCl_3用量。此外还讨论了B.Cl_2的扩散特点及温度对孔洞形成的影响。     

改善渗硼层性能的研究

通过对单一渗硼、硼－氮共渗、硼－氮复合渗、硼－锆共渗和硼－土共渗等方法所得到的铁－硼金属间化合物分别进行了硬度梯度，脆性和耐磨性试验。试验证明，无论是复合渗还是共渗，其渗层性能都优于单－渗硼层，其中以硼－稀土共渗渗层的性能最佳，在本文试验下条件下，与单一渗硼层相比，共渗和复合渗渗层的脆断强度提高３０％－５４％，相对脆性降低４７％－１１６％，相对耐磨性提高３２％－１０９％。     

渗硼层形成机理的探讨

渗硼层的形成机理,一直是渗硼研究的重要课题。本文主要采用X射线法对用气体法在工业纯铁上形成渗硼层的过程进行了研究。结果表明,在渗硼时,依次形成硼的固溶体。Fe_2B、FeB。即渗硼层形成过程完全符合相图和相律。     

改善渗硼层性能的研究

通过对单－渗硼、硼－氮共渗．硼－氮复合渗、硼－锆共渗和硼－土共渗等方法所得到的铁－硼金属间化合物分别进行了硬度梯度，脆性和耐磨性试验。试验证明，无论是复合渗还是共渗，其渗层性能都优于单－渗硼层，其中以硼－稀土共渗渗层的性能最佳．在本文试验条件下，与单一渗硼层相比，共渗和复合渗渗层的脆断强度提高３０％～５４％，相对脆性降低４７％～１１６％，相对耐磨性提高３２％～１０９％．