畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）低碳鋼表面滲硼層在低應(yīng)力條件下耐磨性能的研究

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：低碳鋼表面滲硼層在低應(yīng)力條件下耐磨性能的研究低碳鋼表面滲硼層在低應(yīng)力條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學(xué)生姓名學(xué)生姓名指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師專專 業(yè)業(yè)材料科學(xué)與工程（成型）學(xué)學(xué) 院院材料科學(xué)與工程學(xué)院2010 年 6 月 3 日i摘要本文研究了低碳鋼表面的滲硼工藝及滲層在低應(yīng)力條件下耐磨性能。研究采用的工藝變量為滲硼時(shí)間、滲硼溫度和滲劑配方，試驗(yàn)所用的

2、母材材料為 20 鋼和 40cr。滲劑配方由供硼劑、活化劑、還原劑和填充劑組成。本文共選用四種工藝來進(jìn)行滲硼實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)滲硼之后材料的耐磨性能大大提高。在不同條件下，滲硼層的厚度、硬度和脆性也有很大差別。滲硼層主要是是由 feb 和 fe2b 兩相組成，且顯微硬度達(dá)到 1700hv，具有很高的硬度和耐磨性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)滲層硬度梯度對(duì)材料的使用壽命也有很大的影響，降低硬度梯度對(duì)材料有重要的意義，可以通過對(duì)滲后試樣的熱處理來減小硬度梯度和改善材料的組織，提高材料的性能。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：表面滲硼；工藝；耐磨性能iiabstractin this paper, the boronizi

3、ng 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, reducing agent and fille

4、rs. 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-phase feb and fe2b

5、, 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 organization of material

6、s by heat-treatment to improve the material performance. keywords：surface boronizing; technology; wear resistancei目 錄摘 要 .iabstract .ii目 錄 .i1 概述 .11.1 前沿.11.2 磨損.11.2.1 粘著磨損 .21.2.2 接觸疲勞磨損 .21.2.3 腐蝕磨損 .21.2.4 磨料磨損 .21.3 耐磨性.31.4 表面滲硼工藝 .41.4.1 滲硼工藝簡介 .41.4.2 滲硼工藝目的 .41.4.3 滲硼工藝分類 .41.4.4 滲硼過程中的化學(xué)反

7、應(yīng).51.4.5 滲硼層的組織與性能.61.4.6 滲硼工藝的優(yōu)缺點(diǎn).71.5 選題意義和需要解決的問題 .71.5.1 選題意義 .71.5.2 需要解決的問題 .72 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 .92.1 滲硼工藝.92.1.1 母材的選取 .92.1.2 滲劑配方的選用 .92.1.3 滲前準(zhǔn)備 .92.1.4 混裝與裝罐 .102.1.5 滲硼過程控制 .102.1.6 滲后試樣檢查與缺陷分析.102.2 試樣的制作.102.2.1 試樣的選取 .102.2.2 制作金相試樣 .112.2.3 金相觀察 .122.2.4 顯微硬度的測量 .123 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .133.1 滲硼層的顯微組織觀察.1

8、33.2 顯微硬度分析.143.2.1 顯微硬度 .143.2.2 滲硼溫度對(duì)滲硼層顯微硬度的影響.163.2.3 保溫時(shí)間對(duì)滲硼層顯微硬度的影響.16ii3.3 滲層的耐磨性.173.4 滲層組織的缺陷.183.4.1 內(nèi)裂紋 .183.4.2 滲層厚薄不均 .193.5 滲硼層的脆性.193.5.1 滲硼層本質(zhì)脆性 .193.5.2 滲硼層中致脆組織形態(tài).203.5.3 滲硼層中的致脆碳化物.204 結(jié)論 .21參考文獻(xiàn) .22附件 1： .23附件 2: .24附件 3： .25附件 4： .26附件 5： .27外文翻譯 .28外文原文 .36致 謝 .4511 概述1.1 前沿金屬材

9、抖與其它物體接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦?xí)r，在接觸應(yīng)力作用下，金屬表面的部分物質(zhì)便會(huì)發(fā)生人們所不希望的脫落或轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象稱為金屬的磨損。磨損是一種非常有害的現(xiàn)象,它將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和自然資源的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，在失效的機(jī)械零件中，有 75%80%屬于磨損造成，供給機(jī)械的能量有大約 30%50%消耗于摩擦和機(jī)械零件的磨損過程中。蘇聯(lián)機(jī)器制造產(chǎn)品因磨損所造成的損失每年達(dá) 100-120 億盧布,美國每年因磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)為 1000 億美元,而西德估計(jì)為 100 億馬克。可見，研究金屬磨損，提高金屬的耐磨性和發(fā)展耐磨合金具有何等重要的意義。有資料表明，我國用于冶金、礦山、建材、電力等部門

10、的破碎、制粉、排漿等設(shè)備的易損件，每年消耗百萬噸以上。然而普通材料的耐磨性差，開發(fā)、研制、推廣新型抗磨材料和先進(jìn)的耐磨鑄件生產(chǎn)工藝具有重要意義。耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能的新型材料，是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，同時(shí)也對(duì)改造某些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)、化工、建材等起著重要作用，耐磨材料是新材料領(lǐng)域的核心，對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，在全球新材料研究領(lǐng)域中，耐磨材料約占 85%。耐磨材料種類繁多，當(dāng)前使用最為普遍的是金屬耐磨材料，然而一般的金屬耐磨材料在某些工作環(huán)境下也達(dá)不到要求，必須在整體強(qiáng)化的基礎(chǔ)上采取措施進(jìn)

11、一步強(qiáng)化其工作表面，這就是所謂的表面技術(shù)。表面改性是表面技術(shù)里的一個(gè)分支，即采用某種工藝手段使零件表面獲得與基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)?；瘜W(xué)熱處理是表面改性中的一種方法，它利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表面的一種熱處理工藝?；竟に囘^程是：將工件置于含有某種化學(xué)元素的介質(zhì)中加熱保溫，使活性介質(zhì)通過分解，使某種元素滲入鋼鐵表面的原子向金屬表面擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層，然后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s，從而改變金屬表面的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，賦予金屬表面新的物理、化學(xué)及機(jī)械性能。金屬表面滲硼技術(shù)是提高金屬表面耐磨性能非常便捷的一種工藝方法。1.2 磨損磨損是一種伴隨摩擦產(chǎn)生的表層材料微量損

12、失現(xiàn)象，它是一個(gè)十分復(fù)雜的表面微觀破壞過程，它不僅取決于金屬材料本身所固有的成份，組織和性能，而且還受許多外界因素所影響。磨損性能實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)的性能，是金屬本身，相配材料和工作條件的綜合表現(xiàn)。磨損會(huì)降低機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度，會(huì)縮短機(jī)器的使用壽命，甚至?xí)箼C(jī)器完全喪失工作能力。因此，為了減少磨料磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失，研究磨損理論磨損工礦和不斷發(fā)展抗磨材料是國內(nèi)外同行研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。2磨損的分類方法很多，目前為大多數(shù)人公認(rèn)的乃是按磨損機(jī)理進(jìn)行的分類，即磨料磨損、粘著磨損、接觸疲勞磨損和腐蝕磨損。據(jù)估計(jì)，在工程實(shí)踐中，磨料磨損約占全部磨損現(xiàn)象的 50%，是造成金屬磨損的一個(gè)最普遍、最重要的原因。

13、為此，本文著重介紹磨料磨損的基本概念，磨損機(jī)理，控制磨料磨損的因素和一些常用的抗磨料磨損的耐磨合金，為進(jìn)一步研究磨料磨損和提高磨損件的壽命提供一些線索。1.2.1 粘著磨損粘著磨損也稱咬合磨損或摩擦磨損，粘著磨損是在法向加載下，兩物體接觸表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磨損。磨損產(chǎn)物通常為小顆粒狀，從一個(gè)物體表面粘附到另一個(gè)物體表面上，然后在繼續(xù)的摩擦過程中，表面發(fā)生斷裂，有時(shí)還發(fā)生反粘附，即被粘附到另一個(gè)表面上的材料又回到原來的表面上，這種粘附反粘附往往使材料以自由磨屑狀態(tài)脫落下來。粘著磨損產(chǎn)物可以在任意的循環(huán)中形成，粘著以后的斷裂分離，并不一定在最初的接觸表面產(chǎn)生。1.2.2 接觸疲勞磨損接觸疲勞磨損

14、是一種很常見的磨損形式，主要發(fā)生在承受周期性的接觸載荷或交變應(yīng)力的機(jī)器零件表面上，如滾動(dòng)軸承，車軸，齒輪，鋼軌等，這種形式的磨損也叫做接觸疲勞磨損。疲勞磨損的定義：當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，在表面層將引發(fā)裂紋并逐步擴(kuò)展，最后使裂紋以上的材料剝落下來的磨損過程；1.2.3 腐蝕磨損腐蝕磨損是一種極為復(fù)雜又很常見的磨損形式，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過程。腐蝕磨損最常見的是氧化磨損，氧化磨損的實(shí)質(zhì)是在金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成單分子氧化膜，厚度逐漸增加，但增長速度歲時(shí)間推移，按指數(shù)規(guī)律而減少，多數(shù)金屬表面氧化膜厚度為 10-10c

15、m，有些氧化膜相當(dāng)硬，若在滑動(dòng)過程不再增加或不被磨去，足以起到保護(hù)作用，但氧化膜過厚易產(chǎn)生斷裂和剝落，被剝落的氧化物本身在摩擦面之間就行成了腐蝕磨損。1.2.4 磨料磨損1.2.4.1 磨料磨損的概念及分類磨料磨損主要是指硬的磨?；蛴驳耐怀鑫镌谂c表面相互接觸運(yùn)動(dòng)的過程中，使表面材料發(fā)生損耗的一種現(xiàn)象或過程。磨料磨損時(shí)，作用在質(zhì)點(diǎn)上的力分為垂直分力和水平分力，前者使硬質(zhì)點(diǎn)壓入材料表面，而后者使硬質(zhì)點(diǎn)與表面之間發(fā)生相對(duì)位移，3硬質(zhì)點(diǎn)與材料相互作用的結(jié)果，是被磨損表面產(chǎn)生犁皺或切削，形成磨損或在表面留下溝槽。磨料磨損一般分為低應(yīng)力擦傷式磨料磨損、高應(yīng)力磨料磨損和鑿削式磨料磨損。第一，低應(yīng)力擦傷式磨料

16、磨損是指磨料與材料表面之間的作用力小于磨料本身壓潰強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生得力，摩擦結(jié)果時(shí)在材料表面只發(fā)生微小的劃痕。既不致使磨料破碎又能使材料不斷流失的磨損方式， 宏觀可見磨損表面比較光亮，高倍觀察可見微細(xì)的磨溝或微坑一類磨傷。 典型零件如農(nóng)機(jī)具的磨損、洗煤設(shè)備的磨損、運(yùn)輸設(shè)備的溜槽、料倉、漏斗、料車等。第二，高應(yīng)力磨料磨損也稱碎式磨料磨損，當(dāng)磨料與材料的接觸壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度時(shí)，一般金屬表面被拉傷，韌性材料產(chǎn)生塑性變形，脆性材料發(fā)生碎裂或剝落。該類磨損的磨粒在壓碎之前，幾乎沒有滾動(dòng)和切削的可能，它對(duì)被磨表面的作用是由接觸處的集中壓應(yīng)力造成的。典型零件是球磨機(jī)的磨球與襯板等滾式破碎機(jī)中的輥輪等。第三

17、，鑿削式磨料磨損的產(chǎn)生主要由磨料中的磨粒包含大塊磨粒，而且具有尖銳棱角，對(duì)材料表面進(jìn)行高應(yīng)力和伴隨沖擊作用，使材料表面撕裂出很大的顆?；蛩閴K，使被磨材料表面形成較深的犁溝或深坑，經(jīng)常在運(yùn)輸或破碎大塊磨料時(shí)發(fā)生。典型實(shí)例如顎式破碎機(jī)的齒板，輾輥等。1.2.4.2 磨料磨損機(jī)理磨料磨損機(jī)理是指零件表面材料和磨料發(fā)生摩擦接觸后，材料是如何磨損，亦即材料的磨屑是如何從表面脫落下來的。 磨損機(jī)理又分為微觀切削磨損機(jī)理、多次塑變磨損機(jī)理、疲勞磨損機(jī)理和微觀斷裂磨損機(jī)理。磨粒在材料表面的作用力分為法向力和切向力兩個(gè)分力。法向力使磨粒壓入表面，切向力使磨粒向前推進(jìn)，當(dāng)磨粒形狀與運(yùn)動(dòng)方向是當(dāng)時(shí)，磨粒如同刀具一樣

18、，在表面進(jìn)行切割而形成切削。但這種切削的寬度和深度都很小，因此切削也很小，稱之為微觀切削。在顯微鏡下觀察，一面比較光滑，一面有滑動(dòng)的臺(tái)階，有些還發(fā)生卷曲的現(xiàn)象。微觀切削磨損是 材料表面磨損 的主要機(jī)理。1.3 耐磨性材料的耐磨性不是材料的固有性質(zhì)，而是磨損系統(tǒng)的問題，即由材料性質(zhì)構(gòu)成的內(nèi)部參量與由磨損條件構(gòu)成的外部參量共同作用的結(jié)果。系統(tǒng)參量變化了，材料的耐磨性也相應(yīng)發(fā)生變化。 (1) 足夠高的材料硬度，是金屬材料能過有效抵抗磨料磨損的首要前提，在提高材料的整體硬度有困難的情況下，運(yùn)用表面處理技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，提高耐磨部件的表面硬度，是材料強(qiáng)化重要的努力方向。(2)對(duì)于以共晶碳化物為主要

19、抗磨相得材料，在大磨粒磨損條件下，提高基體強(qiáng)度從而加強(qiáng)對(duì)碳化物的4固持與支承，可以較大幅度的提高鋼的耐磨性；而在小磨粒磨損條件下，細(xì)化組織，減小共晶碳化物的平均自由程，使之轉(zhuǎn)化為大磨粒磨損系統(tǒng)，是較之提高基體耐磨性更為有效的手段。 1.4 表面滲硼工藝1.4.1 滲硼工藝簡介滲硼工藝自誕生至今已有 100 多年的歷史，此間國內(nèi)外的同行們創(chuàng)造發(fā)明了許多滲硼方法,如固體粉末滲硼、氣體滲硼、膏劑滲硼、鹽浴滲硼等,其中固體滲硼因具有操作方便、使用設(shè)備簡單、質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中得到較廣泛的應(yīng)用。我國大量開展?jié)B硼技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代后期，主要從事液體滲硼研究與應(yīng)用，同時(shí)對(duì)固體粉末滲硼

20、進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。滲硼技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了滲金屬技術(shù)的開發(fā)與研究。1987 年中國熱處理學(xué)會(huì)成立了“全國滲硼滲金屬技術(shù)委員會(huì)” ，使?jié)B硼技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用得以迅速發(fā)展，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。我們較全面系統(tǒng)地對(duì)液體滲硼、 固體滲硼技術(shù)進(jìn)行了研究與應(yīng)用。20 世紀(jì) 90 年代以后，我們對(duì)滲硼技術(shù)由理論研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)應(yīng)用開發(fā)。主要解決滲劑的優(yōu)選、 工藝的簡化、消除污染和降低成本，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需求；同時(shí)，開展了大量非模具零件的滲硼研究。1.4.2 滲硼工藝目的采用滲硼工藝一般為了以下幾個(gè)主要目的：（1）提高金屬表面的耐蝕性，滲硼零件在除硝酸外所有的酸堿鹽中具有較高的抗腐蝕性；（2）提高金屬材料的抗疲勞強(qiáng)度；

21、（3）提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，提高零件的使用壽命，膨化物十分穩(wěn)定，在 800高溫下能夠保持高的硬度，即紅硬性好，在 700以下具有良好的抗氧化性，且滲層越厚抗氧化溫度越高。1.4.3 滲硼工藝分類滲硼工藝一般有如下三種：固體滲硼、氣體滲硼和鹽浴滲硼。（1）固體滲硼：固體滲硼是將工件埋入含硼的介質(zhì)中，或在表面涂以含硼膏劑裝箱密封，并在箱式或井式電爐中加熱保溫進(jìn)行滲硼的一種工藝。這種方法不需要專用設(shè)備，具有操作方便、滲后易于清理、適應(yīng)性強(qiáng)和便于推廣等優(yōu)點(diǎn)。近年來已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。（2）氣體滲硼：氣體滲硼采用的氣源為三氯化硼、乙硼烷和三甲基硼，當(dāng)用三氯化硼和乙硼烷作介質(zhì)時(shí)，滲硼溫度為 8

22、50-1000，滲層組織一般為 fe2b 相。優(yōu)點(diǎn)是滲層質(zhì)5量較好、滲后不需要清理，但乙硼烷不穩(wěn)定，用氫氣或氫氣作載氣時(shí)易爆炸，且價(jià)格昂貴；三氯化硼極易水解，至今在生產(chǎn)上尚未采用。（3）鹽浴滲硼：液體滲硼曾經(jīng)用于生產(chǎn)，主要以鹽浴滲硼為主。鹽浴配比是以硼砂為基，碳化硅、鋁粉、硅鈣、硅鐵、稀土物質(zhì)等為還原劑。這類配方成本低廉，鹽浴穩(wěn)定性好，可獲得單相 fe2b 滲層。鹽浴滲硼尚存在一些問題，如鹽浴流動(dòng)性差，工件粘鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，滲后清洗較困難，同時(shí)鹽浴對(duì)坩堝、掛具等有較大的腐蝕性，限制了此方法的應(yīng)用。1.4.4 滲硼過程中的化學(xué)反應(yīng)1.4.4.1 固體滲硼化學(xué)反應(yīng)固體滲硼普遍采用的供硼劑有兩種 ,一種

23、是碳化硼 ,一種是硼鐵。為還原出硼原子 ,在滲劑中均添加氟硼酸鉀作為活化劑 ,其化學(xué)反應(yīng)如下 :(1)碳化硼、 氟硼酸鉀滲劑的反應(yīng) :2kbf4 +b4c +o2 = k 2o + 4bf2 + 2b + co其中的 bf2 為不穩(wěn)定氣體 ,經(jīng)分解析出硼原子而形成穩(wěn)定的 bf3 氣體:3bf2 = b + 2bf3 (2)硼鐵、 氟硼酸鉀滲劑的反應(yīng) :4kbf4 + 4b + o2 = 2k2o + 8bf2 其中的 bf2發(fā)生分解而析出硼原子 :3bf2 = b + 2bf3 1.4.4.2 氣體滲硼化學(xué)反應(yīng)氣體滲硼主要采用兩種氣氛 ,一種是三氯化硼 ,一種是乙硼烷 ,其滲硼化學(xué)反應(yīng)如下:(

24、1)三氯化硼氣體滲硼化學(xué)反應(yīng) :2bcl3 + 5fe = 2feb + 3fecl2(2)乙硼烷氣體滲硼化學(xué)反應(yīng) :b2h6 = 2b + 3h2上述滲硼氣體均由氫氣作載體。1.4.4.3 鹽浴滲硼化學(xué)反應(yīng)鹽浴滲硼普遍采用的供硼劑以硼砂為主,碳化硅、 鋁粉等為還原劑 ,其基本的化學(xué)反應(yīng)如下:(1)硼砂浴中加碳化硅的反應(yīng):6na2b4o7 + 2sic = na2o 2sio2 + 4b + 2co (2)硼砂浴中加鋁粉的反應(yīng):na2b4o7 + 4al = na2o + 2al2o3 + 4b上述二式中的b 為活性硼原子 ,可以滲入鋼中。1.4.5 滲硼層的組織與性能1.4.5.1 滲硼后的

25、組織滲硼層的組織一般為feb、fe2b 單相或雙相組織，它們在碳鋼和低碳鋼中由表面向基體呈鋸齒形楔入。形成雙相時(shí), 表面為feb , 次層為fe2b ,硼化物層與基體之間為過渡區(qū)。1.4.5.2 滲硼層性能滲硼后的鋼鐵表面除具有高硬度(13002300hv) 和耐熱性外,其力學(xué)性能、磨損性能和抗蝕性能如下。（1）沖擊性能40cr 鋼在不同處理狀態(tài)下的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知,40cr 鋼滲硼后調(diào)質(zhì)的沖擊韌性比未滲硼時(shí)的調(diào)質(zhì)狀態(tài)稍有降低,這是因?yàn)榕鸹餅榇嘈韵嗨?但其沖擊值均能滿足技術(shù)要求。滲硼緩冷的試樣沖擊值很低其原因在于滲硼溫度高且又長時(shí)間保溫而導(dǎo)致的晶粒粗大。所以對(duì)于工作中要 求沖

26、擊值高的工件滲硼后必須調(diào)質(zhì)。（2）抗拉性能40cr 鋼在不同處理狀態(tài)下的拉伸性能數(shù)據(jù)見表2?？梢姖B硼后調(diào)質(zhì)與未滲硼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的s、b和值相接近,值偏低一些。說明鋼滲硼后經(jīng)過恰當(dāng)?shù)臒崽幚?仍能保持良好的強(qiáng)韌性。表1 40cr鋼滲硼后沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)（ak/jcm-2）1號(hào)試樣2號(hào)試樣3號(hào)試樣平均滲硼后爐冷21.721.72828滲硼后調(diào)質(zhì)99.572.786.186.1未滲硼調(diào)質(zhì)113.5111.6111.8112.3表2 40cr鋼拉伸性能數(shù)據(jù)s/mpab/mpa/%/%調(diào)質(zhì)820.83907.6411.535.2滲硼調(diào)質(zhì)后801.06886.36916.7（3）耐磨性能7 40cr鋼在滲硼及不同熱

27、處理狀態(tài)下的磨粒磨損數(shù)據(jù)見表3。可知滲硼后耐磨性大幅度提高,說明滲硼層具有優(yōu)良的抗磨損性能,可廣泛用于在磨粒磨損條件下工作的工件。表3 40cr鋼磨粒磨損數(shù)據(jù)磨損前重量/g磨損后重量/g失重量/g調(diào)質(zhì)5.447015.410270.03674滲硼爐冷5.447015.438480.00853滲硼調(diào)質(zhì)5.525465.520750.00471 （4）耐腐蝕性能 鋼經(jīng)滲硼后表面形成十分穩(wěn)定的化合物,故具有良好的耐蝕性。表4為1cr5mo鋼經(jīng)滲硼后的抗蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表4可知,滲硼后在前三種溶液中腐蝕比較慢,滲硼后的抗蝕性提高819倍。但在硝酸中,滲硼后的耐蝕性僅為未滲硼者的1/ 9 ,所以滲硼層不適

28、宜在硝酸環(huán)境中使用。表4 1cr5mo鋼不同狀態(tài)下腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（失重量/g）3hclh2so4naohhno3滲硼0.00150.00110.00050.1329未滲硼0.01230.00960.00960.0152提高倍數(shù)8.213.319.291.4.6 滲硼工藝的優(yōu)缺點(diǎn)金屬表面的滲硼層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壽命，滲硼工藝比較簡單，容易操作，但是滲硼層與材料之間的結(jié)合不是特別牢固，滲硼層容易出現(xiàn)脫落，即滲脆性大，影響材料的性能。1.5 選題意義和需要解決的問題1.5.1 選題意義本文研究的是低碳鋼表面滲硼層在低應(yīng)力條件下的耐磨性能，目前機(jī)械、建筑等行業(yè)出現(xiàn)了

29、大量因材料磨損而導(dǎo)致使用壽命降低甚至報(bào)廢的情況，因此需要積極的探索研究材料的耐磨損方法，而在眾多的方法中表面滲硼是一種方便快捷有效的解決方法?，F(xiàn)在這方面的研究很多，但是仍然存在許多問題：如何提高滲硼的效率，增加滲硼層的厚度，減小滲硼層的脆性，影響滲硼過程的主要因素有哪些等等。所以研究這個(gè)課題就是為了清楚的了解低碳鋼表面滲硼層的性能及影響滲硼層的因素。81.5.2 需要解決的問題滲硼過程中滲層的滲脆性及滲層薄阻礙了滲硼工藝的進(jìn)一步發(fā)展，影響滲脆性的因素很多，首先，溫度低，滲層較薄，與基體結(jié)合強(qiáng)度低，在沖擊力或彎曲力作用下，滲層易發(fā)生剝落，溫度太高，滲層厚度雖然增加但滲層有較多孔隙，致密度降低，削

30、弱了硼化物與基體的結(jié)合強(qiáng)度，且基體晶粒組織粗大增加了脆性，所以控制好溫度，不能太低，也不能太高，880攝氏度比較合適；其次，滲硼時(shí)間也對(duì)脆性有影響，一般880攝氏度滲硼，保溫4小時(shí)，此時(shí)脆性最小，韌性好；再次，冷卻條件的不同也對(duì)滲層脆性有影響，應(yīng)盡量減少滲硼后的加熱冷卻次數(shù)，滲硼后直接淬火；最后，回火溫度也有影響，高溫回火脆性大，低溫回火脆性小。另外，稀土元素的加入也可以顯著地改善滲層脆性。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該要注意以下問題：(1)試驗(yàn)過程中要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范，并記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(2)試驗(yàn)結(jié)果與分析：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析看是否與理論值一致并進(jìn)行詳細(xì)分析。(3)得出試驗(yàn)結(jié)論。 92 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1 滲硼工藝2

31、.1.1 母材的選取滲硼工藝適用于鋼、鑄鐵及硬質(zhì)合金等材料，在冷、熱模具上效果很好。對(duì)嚴(yán)重磨損工件，如高壓閥板、泥漿泵缸套、活塞桿、履帶節(jié)等也很有效。wc 硬質(zhì)合金滲硼后表面生成 w2(cb)3 或 w(cb)3，硬度 2600-3400hv，摩擦因數(shù)減小，耐磨性顯著提高。含硅量較高的鋼滲硼后，往往在過渡區(qū)形成一硬度很低的軟帶區(qū)域，這對(duì)滲層的性能是極其有害的，因此含硅量大于 1%的鋼種不宜作滲硼用鋼。低碳結(jié)構(gòu)鋼中的 q235、20 的滲硼效率高，易獲得單相 fe2b 層硼化物呈梳齒狀與基體結(jié)合力強(qiáng)，適用對(duì)基體強(qiáng)度要求不高的耐磨或抗蝕件。中碳結(jié)構(gòu)鋼中的 45、40cr 滲硼效率中等，可獲得齒狀硼

32、化物，耐磨性好，與基體結(jié)合牢固。適于要求表面耐磨，基體又具有較高強(qiáng)度的工件。故選其中的 20 和 40cr 作為本次試驗(yàn)的基體材料。2.1.2 滲劑配方的選用一般認(rèn)為，滲劑由供硼劑、還原劑、活化劑、填充劑和助滲劑組成。滲劑總重 1kg。配方如下：供硼劑硼砂（wt.%）活化劑氟硼酸鉀（wt.%）還原劑硅鐵（wt.%）填充劑石墨+木炭（wt.%）助滲劑氯化銨（wt.%）溫度（）時(shí)間（h）配方一15122030+2039205配方二15122030+2039204配方三20122025+2039205配方四15122030+20390052.1.3 滲前準(zhǔn)備硼砂：分子式為 na2b4o7 10h2o

33、，由于含結(jié)晶水很多，必須除去其中的結(jié)晶水，10使 na2b4o7更加純凈。將硼砂在 450下脫水處理 1 小時(shí)。試驗(yàn)時(shí)用的已脫水硼砂，使用前經(jīng) 100烘干 1 小時(shí)。作用:硼砂為主要供硼劑,在滲硼過程中提供活性b原子。活化劑：一般使用化學(xué)純試劑在使用易揮發(fā)或易濕分解的活化劑（如銨鹽類）時(shí)滲劑配好后應(yīng)密封存放，或者現(xiàn)用現(xiàn)配制，以免因活化劑揮發(fā)或吸水分解，影響滲硼的效果。使用前經(jīng) 100烘干 1 小時(shí)。作用: kbf4為活化劑，在滲硼過程中提高滲劑活性，與硼砂反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)的硼化物，促進(jìn)活性硼原子的產(chǎn)生，加速滲硼過程。填充劑：原料一般均采用工業(yè)純料，其中木炭一般為塊狀，配制時(shí)粉碎成粉末。作用: 滲

34、劑中加入木炭、活性炭、石墨，主要起填充劑作用。目的有三:一是防止?jié)B劑燒結(jié)及滲劑與試樣粘接;二是保持滲劑的松散與通氣;三是保持滲劑中還原性氣氛和控制硼勢，同時(shí)也參與活化作用。尤其是木炭、活性炭還具有滲碳功效，這有利于滲硼的進(jìn)行。一些易揮發(fā)、易分解的活化劑如氯化銨，在各成分在配制前不需要經(jīng) 100左右干燥處理。2.1.4 混裝與裝罐由于滲劑配方中各成分所占比例懸殊，而且粒度和比重不同，所以滲劑按比例配好后，置于研缽中進(jìn)行混料，使其充分混合均勻。裝罐前對(duì)試樣表面進(jìn)行除銹、除油污，使試樣表面光潔，這樣更有利于提高滲硼效果。混好后，即可將滲劑和試樣裝入滲罐中。方法是：先在罐底鋪上一層 2030mm 滲劑

35、后再放入試樣，試樣與罐壁之間保持1015mm 的間隙，然后再填充滲劑，試樣上表面復(fù)蓋 2030mm 厚滲劑，周圍用耐火棉沿罐壁繞一圈后再用粘土和水密封好，封好后要經(jīng) 100干燥半小時(shí)。這樣有利于保持滲劑的松散性。固體滲硼時(shí)，滲硼容器密封與否，其滲硼效果大不一樣。為了保持滲硼容器內(nèi)有良好的滲硼氣氛，減少活化劑的分解揮發(fā)，防止工件氧化，滲硼容器的密封是十分必要的。試驗(yàn)表明，如果密封得好，在相同的滲劑與工藝條件下，可得到更深的滲層。另外，密封容器內(nèi)的滲劑，滲后的松散性亦較不密封的為好。2.1.5 滲硼過程控制將爐子升溫到 900時(shí)，將罐放入爐中，待溫度達(dá)到 920時(shí)開始計(jì)時(shí)，一號(hào)三號(hào)保溫 5 小時(shí)，

36、二號(hào)保溫 4 小時(shí)，四號(hào)在 900保溫 5 小時(shí)。出爐后，空冷至室溫后取出試樣。2.1.6 滲后試樣檢查與缺陷分析11滲后發(fā)現(xiàn)三號(hào)罐比一號(hào)二號(hào)四號(hào)燒結(jié)嚴(yán)重，主要是因?yàn)槿?hào)滲劑硼砂含量高造成的，試樣表面存在殘留滲劑，不易清除，滲劑粘罐現(xiàn)象比較嚴(yán)重。2.2 試樣的制作2.2.1 試樣的選取本實(shí)驗(yàn)選取的母材材料是 20 鋼和 40cr，將上述滲過的圓棒試樣用線切割截取15mm，20 鋼的尺寸為 12mm15mm，40cr 的尺寸為 14mm15mm。2.2.2 制作金相試樣（1）砂紙磨光磨光過程是試樣制備最重要的階段，除使試樣表面平整外，主要是使組織損傷層減少到最低程度甚至毫無損傷。在磨制試樣時(shí)步驟

37、如下，首先用 100 號(hào)的粗砂紙磨平試樣表面，然后用再用 200、400、600、800 號(hào)金相砂紙磨光。磨光時(shí)施加的壓力大小要合適，在更換下道細(xì)砂紙時(shí)不必減少壓力，因?yàn)樵诤线m的范圍內(nèi)施加的壓力大，磨光速率也大，而對(duì)損傷層的影響并不大。但是用力不宜過大，時(shí)間也不宜過長，以免試樣表面產(chǎn)生新的損傷層，給拋光帶來困難。磨樣時(shí)要注意：在第一張砂紙上試樣始終朝一個(gè)方向磨，換下一道砂紙的時(shí)候?qū)⒃嚇有D(zhuǎn) 90，同樣只朝一個(gè)方向磨，直到將在上一道砂紙上磨出的磨痕磨光為止。每換一次砂紙都必須將試樣清洗干凈，不允許把上道工序的殘留磨料帶到下道工序去，經(jīng)過這樣磨光的試樣，肉眼觀察非常光滑，就像平面鏡一樣能產(chǎn)生反射，

38、然后置于顯微鏡下觀察，只有呈現(xiàn)出一個(gè)方向的細(xì)磨痕。（2）機(jī)械拋光試樣經(jīng)磨制后，及時(shí)進(jìn)行拋光。常用的拋光方法主要有機(jī)械拋光、電解拋光和化學(xué)拋光。本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械拋光，在機(jī)械拋光中拋光盤由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，上面鋪以拋光布，粗拋采用帆布呢或粗呢，精拋用絨布、細(xì)呢或絲綢，本事樣采用絨布作為拋光布。拋光膏為在水中加入粒度為 0.3-1.0 微米的 cr2o3懸浮液，配比為 5-10 克/升。拋光時(shí)間不宜過長，以磨痕全部消除呈鏡面即可停止，用水將試樣表面清洗干凈，然后用吹風(fēng)機(jī)干燥后即可進(jìn)行腐蝕。（3）腐蝕試樣經(jīng)拋光之后進(jìn)行腐蝕，試樣的腐蝕屬于電化學(xué)侵蝕，晶粒之間、晶粒與晶界之間、各相之間甚至同一晶粒的不同部位之間

39、，在化學(xué)腐蝕液中具有不同的電勢，組成眾多的微電池。電勢較低處形成電池的陽極，溶解較快；電勢較高處形成陰極，溶解較慢。其原因是拋光鏡面在電化學(xué)腐蝕作用下，變得凹凸不平，從而對(duì)入射光線形成有選擇的有規(guī)律的漫反射，顯示出晶粒晶界、相和組織結(jié)構(gòu)。對(duì)于單相合金來說，可以顯示晶界和晶粒位相。同位相束中板條晶在金相腐蝕時(shí)以相同的方式受到腐蝕，在光學(xué)金相視場中形成均勻的塊狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于多相合金，相界具有類似的電化學(xué)效應(yīng)，相界溶解較快。12在相界與相，相鄰的相之間產(chǎn)生不同的侵蝕速度，在拋光表面形成凹洼或著色，顯示出相和組織。拋光表面在腐蝕前應(yīng)該保持清潔，無水跡和油污。不同的材料顯示不同的組織，應(yīng)該選擇合適的腐蝕液

40、。腐蝕方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作時(shí)均應(yīng)使腐蝕液均勻侵蝕樣品表面，腐蝕時(shí)間的長短，依樣品材料的不同而不同。一般而言，組織越彌散越易腐蝕，淬火鋼、合金元素含量高的材料、不銹鋼等組織腐蝕時(shí)間宜長些。腐蝕時(shí)間在相當(dāng)程度上取決于制作經(jīng)驗(yàn)，一般腐蝕到表面稍微發(fā)暗即可，腐蝕好的樣品應(yīng)立即用水沖洗干凈，再用酒精擦洗干凈后干燥，干燥后即可進(jìn)行金相觀察。本實(shí)驗(yàn)采用 3%的硝酸酒精溶液腐蝕，在腐蝕的時(shí)候一定要注意觀察侵蝕力度，避免侵蝕不夠或者過度侵蝕。所有試樣都采用上述方法進(jìn)行磨制和侵蝕，備用。2.2.3 金相觀察試樣經(jīng)腐蝕后，首先用金相顯微鏡觀測金相組織，看能否觀測到金相組織和金相組織是否清晰可見，如果不

41、能觀測或組織不夠清晰應(yīng)重新磨制原觀測面后再拋光腐蝕，直至能清晰地看到金相組織。然后用 olmpus-bh-2 三目金相顯微鏡對(duì)每個(gè)試樣的滲硼層、過渡層和基體照金相照片，記錄好拍照時(shí)的放大倍數(shù)和試樣編號(hào)，保存好照片記錄好數(shù)據(jù)以備分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整理好實(shí)驗(yàn)儀器。2.2.4 顯微硬度的測量 顯微硬度計(jì)，實(shí)際上是一臺(tái)設(shè)有加負(fù)荷裝置帶有目鏡測微器的顯微鏡。測定之前，先準(zhǔn)備好金相試樣，置于顯微硬度計(jì)的載物臺(tái)上，通過加負(fù)荷裝置對(duì)四棱錐形的金剛石壓頭加壓。負(fù)荷的大小可根據(jù)待測材料的硬度不同而增減。金剛石壓頭壓入試樣后，在試樣表面上產(chǎn)生一個(gè)凹坑。把顯微鏡十字絲對(duì)準(zhǔn)凹坑，用目鏡測微器測量凹坑兩條對(duì)角線長度。儀器根

42、據(jù)所加負(fù)荷及凹坑對(duì)角線長度就可自動(dòng)計(jì)算出所測物質(zhì)的顯微硬度值。本實(shí)驗(yàn)加載載荷為 1kg，加載時(shí)間為 15s，加載和卸載完全自動(dòng)化，每次測量后記錄好試樣編號(hào)和兩對(duì)角線長度，輸入到硬度計(jì)上面顯示出顯微硬度，記錄好顯微硬度值，重復(fù)操作，每個(gè)試樣觀測 9 個(gè)位置，包括滲硼層組織、過渡層組織和基體組織的顯微硬度，整理好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。操作硬度計(jì)的過程中要遵守操作規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整理好實(shí)驗(yàn)儀器。133 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1 滲硼層的顯微組織觀察滲硼層的顯微組織如圖 3.1。從圖中可以看出滲硼層全由白亮層和黑白相間的過渡區(qū)組成。很明顯 20 鋼的滲硼層比 40cr 的厚。圖 3.1 滲硼層的金相組織（9205h）

43、(a)(c)20 鋼 (b) (d)40cr 鋼鐵滲硼后，滲層由單相 fe2b 相或者雙相 fe2b、feb 相組成，典型的顯微組織呈梳齒狀，其方向與試樣表面相垂直，齒尖插入基體組織中。硼化物的組織形態(tài)隨著鋼的成分和滲硼工藝的不同而變化。一般而言，隨著碳原子和合金元素的增多，硼化物的針狀楔入長度變短，與基體交界處變的平坦。14合金元素對(duì)滲硼層的影響可分為兩大類：一類能或多或少的與滲層結(jié)合，如：cr、ni、mn、v、mo、co。另一類不能溶于滲層并被排斥到擴(kuò)散層的前沿，如c、si、al、cu。碳作為重要的合金元素，并不與滲層結(jié)合。它沿滲層前沿排斥到基體中。當(dāng)硼含量足夠高時(shí)會(huì)取代部分碳形成 fe3

44、(c，b)和 fe23(c，b)6型含硼的滲碳體和合金元素鉻能置換硼化物中的鐵形成含鉻的硼化物(fe，cr)2b 和(fe，cr)b，鉻在 fe2b 中的最大溶解度為 15%。鉻含量越高，滲層厚度越薄，基體與滲層間的界面變的平坦。但含鉻的硼化物硬度更高。鎳與鉻一樣能置換硼化物中的鐵形成(fe，ni)2b 和(fe，ni)b。在其他條件相同的情況下，鎳含量越高，滲層越薄。但鎳的這種效應(yīng)不如鉻的明顯，其溶入不能提高硼化物的硬度。鋁和硅均不溶于滲硼層中，它們積聚在硼化物針的前沿，使過渡區(qū)變軟，滲層缺乏基體的必要支撐。因此，含硅量高于 0.8%的鋼不適于滲硼。白亮層為硼化物層，由圖 3.1 可知 20

45、 鋼的滲硼層的梳齒狀明顯,我們認(rèn)為形成這種滲硼組織的原因是,對(duì)低中碳鋼,在 920 的條件下,已完全奧氏體化,碳原子溶解在 -fe 的間隙中。由于成分起伏,即從微觀上看,-fe 中溶解的碳原子在數(shù)量上是不完全均勻的,而滲硼是一個(gè)先擴(kuò)散、待硼濃度達(dá)到飽和后形成硼化物的過程,因此在硼原子滲入過程中,含碳量不同的 -fe 對(duì)硼原子滲入的阻力是不同的,含碳量小的區(qū)域,滲硼的速度就快,反之則慢。另外,由于硼針在長大時(shí),改變了 -fe 中碳原子的間隙分布,碳原子向其他方向擴(kuò)散,造成了更大的成分起伏。硼針左右和前方的碳原子濃度增加,抑制了左右硼針的生長速度,因此滲硼層出現(xiàn)了明顯的梳齒狀。硼針之間由于碳原子的

46、集聚產(chǎn)生黑色組織。對(duì)高碳鋼及合金鋼也可能成為白色組織。圖3.1中40cr（200）的白亮層為硼化物層，該層較薄，沒有呈現(xiàn)柱狀晶形態(tài)，其前沿較平齊，不呈現(xiàn)梳齒形狀，滲層中存在空洞、疏松。這是由于鋼中碳和合金元素cr阻止了b原子的擴(kuò)散，減小了硼化物擇優(yōu)取向性，同時(shí)cr元素所形成的碳化物、硼化物也阻止了硼化物前沿向內(nèi)的生長，故硼化物層薄且不呈齒狀。滲層中存在空洞和疏松，是由于高溫下材料表面“空位”濃度高，硼化物定向生長過程中空位被驅(qū)趕集成小孔，再加上鋼中雜質(zhì)或碳、硅原子、滲劑中的雜質(zhì)原子被擠入小孔內(nèi)或硼齒之間的緣故。硼化物層主要由feb相、fe2b相、(fe、cr)2b相、細(xì)小的(fe、cr)3c相

47、和塊狀的(cr、fe)7c3相以及裹在(cr、fe)7c3相或(fe、cr)7c相表面的(fe、cr)23c6相組成。(fe、cr)2b相的出現(xiàn)是由40cr鋼中cr元素含量較多，在滲硼過程中，部分cr原子取代fe原子形成(fe、cr)2b相。細(xì)小的(fe、cr)3c相和塊狀的(cr、fe)7c3相則是原始組織中的組成相。而(fe、cr)23c6相則是由富集于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。黑白相間的過渡區(qū)范圍較窄，組織細(xì)小。該區(qū)主要存在有須狀(fe、cr)2b相、塊狀(cr、fe)7c3相、粒狀(fe、cr)3c相、島狀(fe、cr)23c

48、6相及屈氏體等。這些碳化物及硼化物相的存在既強(qiáng)化過渡區(qū)的組織，又細(xì)化了過渡區(qū)的組織，從而提高過渡區(qū)對(duì)硼化物層的支撐作用，有利于硼化物層與心部的結(jié)合。153.2 顯微硬度分析3.2.1 顯微硬度從圖3.2.1中可知:雖經(jīng)兩種不同材料的滲硼工藝處理，但滲硼層的顯微硬度都呈梯度分布，硬度最高的部位都出在次表層，而非最外層，說明滲硼層均具有外表層疏松，中間致密的組織特征。而過渡區(qū)的硬度高于基體，是由于過渡區(qū)的碳、鉻原子增多，使得過渡區(qū)的碳化物及屈氏體含量增多之故。02040608010002004006008001000120014001600180040cr20#圖3.2.1(橫坐標(biāo):距表面的距離/

49、m;縱坐標(biāo):顯微硬度/hv條件:9205h)滲硼的滲層組織從表至里依次為 feb-fe2b-過渡層-心部基體組織。即由滲硼層，過渡層和基體組織 3 部分組成。滲硼溫度在(900-1000)下，鐵硼系中可能出現(xiàn) 、fe2b和 feb 等相。硼在 相，即在奧氏體中的溶解度甚微(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于 0.008%)，在滲硼過程中，鋼鐵的奧氏體很快被硼飽和，并立即形成 fe2b 化合物。如果滲硼劑的活性較高，并且滲硼時(shí)間充足，將在 fe2b 層的外側(cè)形成含硼量更高的 feb 化合物。鋼件滲硼后，滲硼層通常為單一的 fe2b 歸化合物或由 fe2b 和 feb 構(gòu)成的雙相化合物層。fe2b和 feb 通常

50、為齒狀，且垂青于鋼件表面楔入基體。由于碳及大多數(shù)合金化合物不能溶解于鐵硼化合物(fe2b 和 feb)中，在鋼件滲硼過程中，隨著硼化物的形成，鋼表面的大部分碳及合金元素被排擠至內(nèi)側(cè)，因而在緊靠硼化物的內(nèi)側(cè)將出現(xiàn)一個(gè)碳及合金元素富集并再分配的擴(kuò)散層(過渡區(qū))。因此，鋼件滲硼以后的金相組織從表面到心部，隨著硼元素的濃度不同依次為 fe2b-feb-擴(kuò)大層-過渡層-心部基體。這兩種材料滲硼層的顯微硬度差別明顯,我們認(rèn)為其原因是: fe2b是一種成分穩(wěn)定的16化合物,有一定的晶體結(jié)構(gòu),對(duì)fe2b單晶體,它的硬度是一定的。而上述兩種材料滲硼層的顯微硬度明顯不同,因此可以推斷上述幾種材料的滲硼層必然在致密

51、度、缺陷及雜質(zhì)方面存在差異。即對(duì)中碳鋼40cr,三根相鄰的硼針在生長時(shí),由于受到成分起伏的影響,左右兩根硼針得到優(yōu)先發(fā)展,中間硼針的生長受到抑制,最后三根硼針合并成一個(gè)大硼針,而將許多塊富碳的-fe 組織包圍在硼針內(nèi)。對(duì)一根硼針來說,在生長過程中包含很多次的合并。對(duì)低碳鋼20鋼，在同樣的滲硼條件下,滲硼速度較快,更容易形成周圍富碳的-fe組織,這種組織在淬火后和硼針之間及前端的黑色組織在顯微硬度上大致相同,遠(yuǎn)低于周邊白亮色硼針的顯微硬度。而低碳鋼中白亮色硼針本身也含有大量細(xì)小的富碳-fe組織,降低了滲硼層的顯微硬度。3.2.2 滲硼溫度對(duì)滲硼層顯微硬度的影響圖3.2.2為滲硼溫度與滲硼層顯微硬

52、度的關(guān)系曲線102030405020040060080010001200140016001800 920 900圖3.2.2不同滲硼溫度的試樣顯微硬度曲線(橫坐標(biāo):距表面的距離/m;縱坐標(biāo):顯微硬度/hv;保溫時(shí)間: 5h)從圖中可知，滲硼時(shí)，滲硼溫度升高，滲硼層的顯微硬度增高。這是由于升高滲硼溫度，可增加滲硼層的厚度，同時(shí)使表層生成更多高硬度的feb相之故。3.2.3 保溫時(shí)間對(duì)滲硼層顯微硬度的影響圖3.2.3為滲硼溫度與滲硼層顯微硬度的關(guān)系曲線從圖中可知，滲硼時(shí)，保溫時(shí)間的延長，滲硼層的顯微硬度增高。這是由于保溫時(shí)間的延長，滲硼層厚度增加，同時(shí)使表層生成更多高硬度的 feb 相之故。170

53、10203040502004006008001000120014001600 5h 4h圖3.2.3 不同滲硼溫度的試樣顯微硬度曲線(橫坐標(biāo):距表面的距離/m;縱坐標(biāo):顯微硬度/hv;保溫溫度: 950)3.3 滲層的耐磨性0102030405002圖 3.3.1 40cr 磨損曲線(橫坐標(biāo):磨損時(shí)間/h;縱坐標(biāo):質(zhì)量損失/g圓點(diǎn)代表未滲硼的 40cr;正方形代表滲硼后的 40cr)1801020304050024圖 3.3.2 20 鋼磨損曲線(橫坐標(biāo):磨損時(shí)間/h;縱坐標(biāo):質(zhì)量損失/g圓點(diǎn)代表未滲硼的 20 鋼;正方形代表滲硼后的 20 鋼)為了研究滲硼層耐磨性，將試樣經(jīng)多種不同工藝處理后

54、，在室溫條件下，在 ml-100型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)。加載 100n，圓盤轉(zhuǎn)速 6o0rpm，磨料為焦炭，每12 小時(shí)稱重一次，試驗(yàn)結(jié)果見圖 3.3.1 和圖 3.3.2。從圖 3.3.1 和圖 3.3.2 中可知:未經(jīng)滲硼，只經(jīng)過淬火、回火的試樣，其磨損曲線幾乎呈直線，即質(zhì)量損失與磨損時(shí)間成正比;而其余滲硼試樣，其磨損曲線呈拋物線。即滲硼試樣在磨損初期 24h 內(nèi)，質(zhì)量損失極小,之后，質(zhì)量損失顯著增大。這是由于在磨損初期滲硼層尚在，后期滲硼層消耗追盡所致。經(jīng)滲硼的試樣，其表層耐磨性最高;而沒滲硼的試樣其表層耐磨性差。3.4 滲層組織的缺陷3.4.1 內(nèi)裂紋試驗(yàn)表明，滲硼層中極易

55、出現(xiàn)裂紋，一般出現(xiàn)在次表層 feb 和 fe2b 的界面上，且與表面平行，見圖 3.4。產(chǎn)生的原因:一是磨削引起的;二是由于在 feb 和 fe2b 的相界上存在有較大的應(yīng)力，而 feb 又是脆性相所致。19圖 3.4 滲硼層中的內(nèi)裂紋3.4.2 滲層厚薄不均滲層出現(xiàn)厚薄不均，主要原因有:(l)滲劑混合不均勻，(2)鋼件表層局部成分有偏析(3)介質(zhì)活性差。3.5 滲硼層的脆性3.5.1 滲硼層本質(zhì)脆性滲硼層一般由 feb、fe2b 兩相組成，它們都具有本質(zhì)脆性，但 feb 相的本質(zhì)脆性比fe2b 大。對(duì) feb 相的價(jià)電子結(jié)構(gòu)分析表明，feb 空間鍵絡(luò)的分布極不均勻，最強(qiáng)鍵與最弱鍵的 n 值相

56、差16 倍，ea 什相差 12 倍，而 fe2b 的最強(qiáng)鍵與最弱鍵的 n 值相差 3 倍，ea 值僅 4 倍，所以，feb 相在外力作用下，弱鍵極易斷鍵，形成脆性裂紋，造成本質(zhì)脆性增大。因此，滲硼避免雙相滲硼，而多希望單相滲硼。然而由于 fe2b 也具有本質(zhì)脆性，使得滲硼層脆性也較大。對(duì) fe2b 相價(jià)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明，其空間鍵絡(luò)分布是不均勻的，沿002位向的 fe-fe 原子間存在最強(qiáng)鍵，其共價(jià)電子對(duì)數(shù) n=0.3852，鍵能e=15.737kj/mol，最強(qiáng)鍵將 fe2b 原子配位團(tuán)與最近鄰原子配位團(tuán)相互牢固連結(jié)，沿002位向的 b-b 原子鍵較弱，n=0.3852，e=4.5052k

57、j/mol。002位向是 fe2b 晶體生長的的擇優(yōu)位向，恰由 b-b 弱鍵相連，則在外力作用下，此位向的 b-b 鍵易于斷裂，即原因。203.5.2 滲硼層中致脆組織形態(tài)由于擴(kuò)散溫度高，滲劑與試驗(yàn)用鋼不可能很純凈，使得硼化物亞表層中有許多孔洞疏松，這是先天裂紋源，會(huì)加劇脆性。另外，如果過渡層組織形態(tài)不當(dāng)，也會(huì)增加工件的表觀脆性，如過渡層組織粗化會(huì)降低韌性;硼化物前沿若出現(xiàn)低強(qiáng)度的富硅鐵素體，則在高負(fù)荷或高沖擊力作用時(shí)，因其支撐能力弱會(huì)引發(fā)滲層壓潰性碎裂;過渡層太厚，淬火會(huì)增大滲層中的殘余拉應(yīng)力，加劇“沿晶斷裂” 。3.5.3 滲硼層中的致脆碳化物高碳高合金鋼擴(kuò)滲時(shí)，硼化物生長按包圍機(jī)制包圍殘

58、存碳化物;在硼化物生長界面前沿奧氏體微區(qū)逐漸富碳，若碳濃度達(dá)到擴(kuò)滲溫度時(shí)的形核飽和度，該處便有碳化物沉淀;達(dá)不到飽和碳濃度的奧氏體微區(qū)，高溫下是穩(wěn)定的，按包圍機(jī)制被硼化物包圍，在隨后的冷卻中將轉(zhuǎn)變成珠光體類組織。尺寸較大呈沿晶分布的碳化物起致脆作用。214 結(jié)論本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)金屬表面滲硼的工藝研究得出如下結(jié)論:（1）滲劑配方中各成分的不同,得到的滲層質(zhì)量也不同,滲硼時(shí)間與滲硼溫度的不同,滲層的厚度也有明顯的差別。普通滲硼是合適的工藝參數(shù)是 9205h。隨著滲硼溫度的升高，滲硼層均增厚;隨著保溫時(shí)間的延長，滲層增厚，在 5h 保溫時(shí)間內(nèi)，滲層增厚顯著;超過這一保溫時(shí)間，隨著保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長，滲

59、層增厚不顯著。（2）無論是哪種工藝滲硼，得到的滲件均由滲硼層、過渡層和基體三部分組成。滲硼層主要由 feb 和 fe2b 兩相組成 ,由表至里為 feb、fe2b。（3）相同的磨損試驗(yàn)條件下，經(jīng) 9505h 滲硼工藝，優(yōu)化滲硼的耐磨性高于普通滲硼層，普通滲硼層的耐磨性高于未滲硼試樣的耐磨性。（4）鋼表面經(jīng)滲硼處理后 ,可以獲得高硬度的滲硼層,與基體組織相比硬度值提高四倍以上,大大提高了基體材料的耐磨性,但是由于滲硼層和過渡層之間的硬度差異很大，致使?jié)B硼層與基體結(jié)合部不牢固，滲層易出現(xiàn)剝落。因此，降低硬度梯度可以減小滲層的脆性。22參考文獻(xiàn)1 徐宏毅, 等. 滲硼劑配方的正交試驗(yàn)優(yōu)化 j. 武漢

60、汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996 年 4月, 101-1042 胡金鎖, 等. 碳鋼表面滲硼和激光熱處理改性層的磨粒磨損性能和機(jī)理研究 j. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2002 年 2 月, 150-1523 胡金鎖, 等滲硼層激光共晶化機(jī)理及其耐磨性探討 j. 金屬熱處理, 2002 年 5月, 18-214 劉剛, 李雪松, 吳化, 高金芝. 鋼表面滲硼層結(jié)構(gòu)及性能. 吉林:吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 2008 年 1 月, 2-45 金屬材料熱處理. 鄭州:鄭州大學(xué)出版社, 2003 年 6 月, 20 6 材料磨損原理及其耐磨性. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002 年 8 月, 93-1207 史建中,王