鋼硼鋁共滲材料研究畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目: T10鋼硼鋁共滲新工藝的研究13 / 18畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了意。作 者 簽 名： 日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷

2、本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)班 級(jí)：材料012班 姓 名： 達(dá)吾提 論文（設(shè)計(jì)）題目：T10鋼硼鋁共滲新工藝的研究 專 題：論文（設(shè)計(jì)）來(lái)源：自擬題目要求完成的容：1、通過(guò)正交試驗(yàn)制定共滲工藝 2、加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)共滲層的影響 3、分析硼鋁共滲機(jī)理 4、分析活化劑在硼鋁共滲中的作用5、分析滲層中鋁的擴(kuò)散機(jī)制6、分析稀土在硼鋁共滲中的作用 7、撰寫(xiě)圖文并茂的研究論文發(fā)題日期：2006年

3、 4 月3日 完成日期2006年6 月 12日實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)單位： 地點(diǎn)：論文頁(yè)數(shù)： 14 頁(yè)； 圖紙數(shù)：指導(dǎo)教師：教研室主任： 院長(zhǎng)（系主任）：摘 要在本研究中對(duì)模具鋼進(jìn)行硼鋁共滲，研究了硼鋁共滲工藝，不同工藝參數(shù)對(duì)滲層厚度、金相組織與性能的影響。在試驗(yàn)研究中采用了正交試驗(yàn)分析法，結(jié)果表明,對(duì)硼鋁共滲影響的主要因素是加熱溫度和保溫時(shí)間。在本研究過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，控制了共滲層的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的耐磨性、抗高溫氧化性和低脆性。論文中討論了硼鋁共滲原理、滲層中鋁的擴(kuò)散機(jī)制、稀土和活化劑的作用。稀土的滲入也加速了硼原子的擴(kuò)散速度，增加了鋁原子的滲入量。關(guān)鍵詞：硼鋁共滲；稀土；共滲層目 錄前言11.

4、國(guó)外現(xiàn)狀22. 試驗(yàn)方法與條件32.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備32.2 固體硼鋁共滲的方法32.3 實(shí)驗(yàn)方案33. 試驗(yàn)結(jié)果與分析43.1 極差分析43.2 加熱溫度對(duì)滲層厚度的影響63.3 保溫時(shí)間對(duì)滲層厚度的影響73.4 滲層顯微硬度分布74討論84.1 硼鋁共滲原理84.2 固態(tài)硼鋁共滲介質(zhì)的反應(yīng)94.2.1 滲B介質(zhì)反應(yīng)94.2.2 滲A1介質(zhì)反應(yīng)94.3 滲層組織與相結(jié)構(gòu)94.4 滲層中鋁的擴(kuò)散機(jī)制104.5 鋁和碳的作用114.6 稀土元素的作用114.7 活化劑的作用125. 結(jié)論12致13參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。前 言本論文的研究意義：模具質(zhì)量直接影響其壽命，稀土硼鋁共滲技術(shù)與其熱處

5、理在模具上的應(yīng)用，為提高模具使用壽命開(kāi)辟了有效途徑。用于金屬材料表面改性的離子注如技術(shù)，如鋼的離子氮化鋼的固體滲硼與硼鋁共滲，以其特有的性能在模具工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，但隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)這些表面強(qiáng)化方法各有其不足之處，有關(guān)研究報(bào)道，鋼的稀土硼鋁共滲層具有高的耐磨性、抗高溫氧化性和抗熱疲勞性能，較低的脆性，因而引起人們的重視。實(shí)踐中，人們已認(rèn)識(shí)到硼與其它元素共滲，比單一滲硼能獲得更好的使用性能，因此，稀土硼鋁共滲用于模具表面強(qiáng)化，特別是能夠耐高溫疲勞和抗氧化的共滲工藝的研究已引起人們的重視，并逐漸用于生產(chǎn)。本研究通過(guò)對(duì)T8鋼進(jìn)行硼鋁共滲，探討和對(duì)比淬火法，固體滲硼法的耐磨和抗氧

6、化性，期望在模具的工作表面上形成一層高性能的共滲層，從而達(dá)到提高模具使用壽命的目的。在本題目中將對(duì)模具鋼進(jìn)行硼鋁共滲，研究硼鋁共滲新工藝，不同工藝參數(shù)對(duì)滲層厚度和組組結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，控制共滲層的組織結(jié)構(gòu)，擬獲得所需要的耐磨性、耐蝕性和耐熱性。研究目標(biāo)和研究容：本題目將滲層中鋁的擴(kuò)散機(jī)制、硼鋁共滲原理、稀土元素和活化劑作用等方面進(jìn)行深入的理論研究。本文以T8鋼為例,采用固體粉末法，對(duì)硼鋁共滲層的工藝，組織和性能進(jìn)行研究，并對(duì)Al在共滲層中的作用進(jìn)行探討。為降低共滲層的脆性、提高共滲層的耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗氧化性提供可靠的理論保證。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：找出最佳的共滲劑成分和共滲工

7、藝。技術(shù)路線：1.共滲劑成分的確定,并分析共滲劑對(duì)組織和性能的影響；2.共滲工藝的確定，并分析溫度和時(shí)間對(duì)滲層厚度的影響；3.滲層顯微硬度的測(cè)定；4.對(duì)硼鋁共滲原理、滲層中鋁的擴(kuò)散、稀土元素和活化劑的作用等方面進(jìn)行理論研究。1. 國(guó)外現(xiàn)狀滲硼工藝自誕生至今已有100多年的歷史，此間國(guó)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）和工藝，其中因固體滲硼具有工藝操作方便、使用設(shè)備簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)，滲硼層硬度高、耐磨性佳、紅硬性好，且有一定耐蝕性，雖已在某些冷作模具上獲得較好效果，但滲層脆、致密性差，因而制約了其應(yīng)用1。滲硼層的脆性，除其本身結(jié)構(gòu)因素外，主要

8、取決于硼化物與體間的比容差。滲硼層致密性一般較差，齒狀硼化物間疏松明顯，導(dǎo)致抗氧化能力降低，不適應(yīng)熱作模具的服役條件.因此，國(guó)外已有人針對(duì)這一情況開(kāi)展了B-Al共滲研究，取得了一些重要結(jié)果2。鋼的硼鋁共滲層具有高的耐磨性和抗高溫氧化性、較低的脆性,因而已引起人們的重視,并應(yīng)用于生產(chǎn)。作者3通過(guò)掃描電鏡、能譜分析、X射線衍射分析等方法，對(duì)4Cr5MoSiV1鋼硼鋁稀土共滲層組織與性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果是共滲層主要由FeB相構(gòu)成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)(Fe，Al)B或(Fe，Al)2B物相；共滲層組織連續(xù)致密，具有很高的顯微硬度和熱硬性。唐明華等4研究了3Cr2W8V鋼稀土硼鋁共滲工藝和性能，通過(guò)稀土硼鋁共

9、滲在模具的工作帶上形成一層高性能的共滲層，滲層表面硬度可達(dá)18002000HV，取得良好效果。作者5在文中，研究了滲硼溫度、供硼劑種類、活化劑種類與其含量對(duì)滲硼層厚度和質(zhì)量的影響，并對(duì)硼砂型滲硼劑中加入硅鐵作為還原劑對(duì)滲硼效果的影響也進(jìn)行了研究。結(jié)果：溫度與供硼劑種類是45鋼滲硼的主要影響因素；45鋼滲硼的最優(yōu)工藝方案為：供硼劑選用B4C+稀土，活化劑為Na3AlF6，活化劑含量為20%30%，溫度為950；以硼砂為供硼劑的滲硼劑中加入硅鐵粉能提高滲硼層的厚度與滲硼質(zhì)量。吉澤升6在稀土對(duì)硼鋁共滲滲層相組成的影響的研究中，通過(guò)X射線衍射，透射電鏡衍射與能譜分析表明，共滲初期滲層主要由Fe2B相組

10、成，加稀土后檢測(cè)到了(Re0.65，F(xiàn)e0.35)23B6化合物；共滲4h滲層主要由Fe2B相+少量FeB相級(jí)成，在加入稀土后的硼鋁共滲層中，檢測(cè)到了稀土化合物(Fe0.8,Re0.2)6B，發(fā)現(xiàn)A2Fe的晶面間距有所增大。對(duì)硼化物的形成進(jìn)行了分析，由于Al，C，稀土等化合物的形成阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，稀土的晶界強(qiáng)化，位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化是加入稀土后硼鋁共滲層性能提高的主要原因。永昌等7研究了ReMg合金對(duì)固體粉末法硼鉻鋁共滲層成分、組織和性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著ReMg合金加入量的增加。滲層中Al2O3的量不斷增多，當(dāng)ReMg合金加入量為5%時(shí)，滲中出現(xiàn)連續(xù)致密分布的Al2O3黑區(qū)組織，對(duì)此進(jìn)行了性能

11、測(cè)試和機(jī)理探討。凱軍等8采用正交試驗(yàn)方法優(yōu)化4Cr13鋼滲硼的滲硼劑和工藝參數(shù)，獲得了良好的效果。優(yōu)化后滲硼層組織致密，表面稍有疏松，硼化物顯微硬度壓痕完整，降低了滲層脆性；硼化物層主要由Fe2B、(Fe,Cr)2B相和少量的FeB相組成，過(guò)渡區(qū)形成Fe3(C,B)、Fe4N相與Cr的碳化物，不存在軟帶現(xiàn)象，有效地強(qiáng)化了對(duì)硼化物層的支撐作用，有利于硼化物層與基體的結(jié)合；滲硼試樣的耐磨性明顯高于直接淬火樣。項(xiàng)東等9通過(guò)對(duì)鋼單滲硼層和稀土硼鉻共滲層的硬度脆性和磨損特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，稀土硼鉻共滲層在保留了單滲硼層高硬度的同時(shí)，明顯降低了脆性(約為42.7%)，使共滲層的粘著磨損、疲勞磨損和磨粒

12、磨損性能都得到較大的提高，有較強(qiáng)的實(shí)用性。耿香月等10研究了共滲層厚度、結(jié)構(gòu)與性能的機(jī)理，結(jié)果他們獲得的兩種滲層的耐磨、耐氧化與耐蝕性高，優(yōu)于單元滲硼。2. 試驗(yàn)方法與條件2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)采用T10鋼作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，自圓棒材中切取尺寸為Ø16mm×25mm的金相組織觀察試樣。使用了現(xiàn)成的供硼劑，其中包括Na3AlF6、CaF等活化劑，向滲硼劑中加入一定量的純鋁和稀土作為共滲劑。根據(jù)理論分析，確定硼鋁共滲溫度、保溫時(shí)間、純鋁和稀土含量為主要工藝因素。選用L9(34)正交表，表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。將按比例配置好的滲硼劑包裹試件，將試件與滲硼劑放入坩堝，用潤(rùn)泥土進(jìn)行密封然后放

13、入SX-10-13箱式電阻爐中，在750950的溫度圍，加熱保溫24小時(shí)，取出坩堝，空冷至室溫。用砂輪將試樣磨平，然后用拋光紙和拋光機(jī)進(jìn)行拋光。使用HX1型顯微硬度計(jì)和hxd-1000tb 型視頻維氏硬度機(jī)對(duì)T8鋼共滲試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，用XJZ-6A型金相圖象分析儀進(jìn)行金相組織的拍照，并對(duì)共滲層進(jìn)行化學(xué)成分微區(qū)分析。2.2 固體硼鋁共滲的方法本實(shí)驗(yàn)中我們采用填充法。填充法是將工件埋入填充有粉末或粒狀滲硼劑的滲箱里，加蓋密封后進(jìn)行加熱硼鋁共滲，粉末共滲劑由滲硼劑、滲鋁劑、活化劑、填充劑四部分組成。用粒狀滲硼劑滲硼時(shí)則需加入粘結(jié)劑，用一定方法制成粒狀。以硼砂、硼酸或硼醉為供硼劑的滲硼劑，還應(yīng)添

14、加還原劑。2.3 實(shí)驗(yàn)方案為了順利完成這次實(shí)驗(yàn)我把實(shí)驗(yàn)分成了幾個(gè)方案：膏劑刷涂試樣表面4×5mm，共滲溫度750950，保溫時(shí)間2h4h，最后空冷。表1 L9(34)表頭設(shè)計(jì)因素水平平溫度()（A）鋁含量(%)(B)稀土含量(%)(C)保溫時(shí)間(h)(D)175022228504433950864表2 實(shí)驗(yàn)具體容種類編號(hào)溫度()鋁的含量(%)硼的含量(%)稀土含量(%)保溫時(shí)間(h)1750298222750496433750892644850298635850496246850892427950298448950496629950892233. 試驗(yàn)結(jié)果與分析影響硼鋁共滲層厚度與質(zhì)

15、量的主要工藝因素從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表3）的極差分析（表4）和（表5）可以看出。表3 L9(34) 正交試驗(yàn)結(jié)果種類編號(hào)溫度()鋁的含量(%)稀土含量(%)保溫時(shí)間(h)滲層厚度（um）滲層硬度（HV）金相形滲層27504430270無(wú)滲層37508640260無(wú)滲層4850263371772小鋸齒形5850424441620較小的鋸齒形6850842371437小鋸齒形79502441101892明顯的鋸齒形8950462572289較明顯鋸齒形9950823701950較平滑3.1 極差分析滲層厚度極差分析計(jì)算過(guò)程：R=Rmax-Rmin=79-0=79(um)R=R

16、max-Rmin=49-30=19(um)R=Rmax-Rmin=49-31=18(um)R=Rmax-Rmin=51-31=20(um)表4 滲層厚度極差分析因素滲層厚度水平（A）(B)(C)(D)10493831239344936379303151R79191820滲層硬度極差分析計(jì)算過(guò)程：R=Rmax-Rmin=2044-266=1778（HV）R=Rmax-Rmin=1393-1216=177（HV）R=Rmax-Rmin=1440-1200=240（HV）R=Rmax-Rmin=1420-1257=163（HV）表5 滲層硬度極差分析因素滲層硬度水平ABCD1266131013501

17、3312161013931200142032044121614401257R1778177240163根據(jù)滲層厚度極差分析得到的結(jié)果：影響滲層厚度與質(zhì)量的工藝因素的主次關(guān)系為：硼鋁共滲溫度保溫時(shí)間鋁含量稀土含量。根據(jù)滲層厚度平均值得知，最優(yōu)方案：加熱溫度為950，純鋁加入量為2%，稀土加入量為4%，保溫時(shí)間為4h。為什么不根據(jù)滲層硬度確定呢？因?yàn)樽鰧?shí)驗(yàn)時(shí)只打了一次硬度，后來(lái)發(fā)現(xiàn)只打一次硬度不夠，最小打三次才準(zhǔn)確。所以只根據(jù)滲層厚度來(lái)確定。隨著滲硼溫度的升高，共滲劑與活化劑的化學(xué)反應(yīng)越迅速和充分，所析出的活性硼原子和鋁原子的數(shù)量越多；硼鋁共滲溫度的升高還使元素?zé)釘U(kuò)散現(xiàn)象加劇，提高了硼原子和鋁原子

18、的活性和擴(kuò)散速度，增加了硼原子和鋁原子在鋼表面的沉積率，因此硼鋁共滲層越厚，同時(shí)滲層組織排列也緊密，滲層質(zhì)量較好。本實(shí)驗(yàn)條件下，T8鋼滲硼最佳溫度是950。在所選定的共滲劑中，B4C+Al+適量稀土的共滲劑效果最好，滲鋁效果最差。原因是硼砂型滲硼劑中沒(méi)有加入含 Al元素的還原劑，無(wú)法析出足量的硼原子滲入試件表面的緣故。在以B4C+Al為共滲劑中加入適量稀土后，滲層的厚度與質(zhì)量都得到大幅度提高。筆者認(rèn)為稀土元素的加入將有利于破壞B、H、O、C原子在各自化合物中的化學(xué)鍵，由于稀土和氧、碳有極強(qiáng)的結(jié)合力，使得B2O3、B4C斷鍵，生成大量的活性硼原子，加速了共滲劑的分解。3.2 加熱溫度對(duì)滲層厚度的

19、影響T8鋼保溫時(shí)間4小時(shí),加熱溫度分別為750, 850，950時(shí)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1:750×100 850×100 950×100 4%硝酸酒精腐蝕圖1 T10鋼在不同溫度下保溫4h時(shí)的共滲層顯微組織由圖1和圖2可見(jiàn)，在保溫時(shí)間一定的情況下試樣隨溫度升高，滲層厚度增加，符合擴(kuò)散定律。溫度達(dá)到950時(shí)，滲層厚度接近峰值。但溫度過(guò)高，零件變形增大，且滲層厚度增加速度減小。試樣在750 、850、950下保溫4h，滲層厚度分別為0µm、44µm和110µm。圖2 滲層厚度與溫度的關(guān)系曲線 3.3 保溫時(shí)間對(duì)滲層厚度的影響950 /2h

20、15;100 950 /3h×100 950/4h ×100 4%硝酸酒精腐蝕 圖3 T10鋼在950下在不同保溫時(shí)間硼鋁共滲時(shí)的顯微組織加熱溫度950，保溫時(shí)間2h4h，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3滲層厚度測(cè)試結(jié)果可畫(huà)出保溫時(shí)間與滲層后度的關(guān)系曲線，如圖4所示。結(jié)果表明，共滲層厚度與共滲時(shí)間基本呈拋物線關(guān)系，在3h4h之間，滲層增厚較快，滲層厚度增加緩慢。保溫4h后，滲層為鋸齒形，較厚，且表面無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象。在保溫24小時(shí)后所得各試樣滲層厚度分別57um ，70um和110um?？紤]到零件的變形隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且利用延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)提高滲層厚度不經(jīng)濟(jì)，所以試驗(yàn)中主要考

21、慮共滲溫度對(duì)滲層厚度的影響。綜合分析認(rèn)為，宜選用高于950，時(shí)間超越4h時(shí)溫度過(guò)高,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),勢(shì)必加重氧化且影響生產(chǎn)周期。溫度過(guò)低，時(shí)間過(guò)短，滲層太薄且不均勻，達(dá)不到表面強(qiáng)化效果。圖4 保溫時(shí)間與滲層厚度的關(guān)系曲線（ 3.4 滲層顯微硬度分布滲層的顯微硬度分布如圖5所示。滲層區(qū)的硬度為16002200HV；過(guò)渡區(qū)硬度為8001500HV；基體硬度在250600HV之間?？梢?jiàn)，滲層區(qū)過(guò)渡區(qū)基體的硬度變化梯度較為平緩，較平緩的硬度分布提高了基體對(duì)共滲層的支撐能力,有利于減少其滲層脆性,硼鋁共滲層的整體性能較好。圖5 T10鋼硼鋁共滲后顯微硬度的分布4討論模具鋼經(jīng)硼鋁共滲后，共滲層一般由硼化鐵和(A

22、I,B) 固溶體組成，改變介質(zhì)的硼鋁含量，可獲得不同的共滲層組織。在給定的工藝條件下，滲層厚度受共滲溫度和時(shí)間的影響。在整個(gè)化學(xué)熱處理過(guò)程中，稀土的作用主要表現(xiàn)在對(duì)共滲速度、共滲層組織和共滲性能的影響三個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)證明，稀土能顯著提高共滲速度，稀土催滲明顯增加了共滲層厚度，而對(duì)硼化層的梳齒形狀沒(méi)有明顯的影響。稀土的加入促進(jìn)了(FeAI)2 B晶粒的形成和長(zhǎng)大，減少了FeAIB的形成傾向；稀土元素的加入還提高了B，AI 原子的活性，并增加了共滲原子在鋼表面的吸附能力，使 Fe2B 形核率增加，促進(jìn)晶界凈化和晶粒細(xì)化。稀土硼鋁共滲在提高模具鋼的耐磨性、抗熱疲勞性和抗高溫氧化性的同時(shí)還提高了共滲層的

23、耐腐蝕性能，降低了脆性，顯示出比離子氮化層和單一硼鋁共滲層更優(yōu)異的性能。4.1 硼鋁共滲原理不論采用何種方法進(jìn)行硼鋁共滲，首要條件是在共滲處理過(guò)程中，要同時(shí)產(chǎn)生一定數(shù)量的活性B、AI原子，并被鋼件表面吸收、擴(kuò)散，形成一定厚度的B-AI共滲層。 由研究知，在這類三元系中，介質(zhì)中的B、 AI共滲元素不發(fā)生相互作用，共滲層是由兩種元素所形成的結(jié)構(gòu)組分組成，這兩種元素的數(shù)量與介質(zhì)中相應(yīng)元素的含量成正比。因此，共滲層中滲入元素有它自己相對(duì)的“擴(kuò)散獨(dú)立性” 。 基于上述，B-Al共滲可看作是滲B與滲AI二種反應(yīng)同時(shí)獨(dú)立地進(jìn)行，產(chǎn)生的活性B, AI原子共同構(gòu)成由硼化物相與鋁化物相組成的共滲層，二者相對(duì)量由B

24、與AI的擴(kuò)散源能力所決定。4.2 固態(tài)硼鋁共滲介質(zhì)的反應(yīng)4.2.1 滲B介質(zhì)反應(yīng)固態(tài)BAI共滲時(shí)，滲B屬氣態(tài)催化反應(yīng).在高溫與弱氧化條件下，供硼劑在活化劑、還原劑作用下，形成氣態(tài)硼化物一BF3與低價(jià)亞穩(wěn)態(tài)BF2，氣態(tài)硼化物在工件表面不斷活化與分解，釋放出活性硼原子。主要反應(yīng)為 KBF4KF+BF3 2B4C+2BF3+5O23B+2B2O3+3BF2+2CO2 B2O3+2A12B+A12O33BF2+2FeFe2B+2BF34.2.2 滲A1介質(zhì)反應(yīng)A1粉與AlFe粉等是提供固態(tài)下BAl共滲AI原子的供鋁劑，當(dāng)用氯化銨作活化劑時(shí)，由下列反應(yīng)產(chǎn)生活性A1原子， NH4C1NH3+HC1 6HC

25、1+2Al2AIC13+3H2 AICI3+FeFeC13+AI4.3 滲層組織與相結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)稀土硼鋁共滲后，可形成一定厚度的共滲層，所得共滲層組織為FeA1B + (FeAI)2B雙相構(gòu)成，由白亮的化合物層和擴(kuò)散層組成，厚度為37um一110um，化合物層硬度為1400HV一2200HV，基體由珠光體加粒狀碳化物組成。電鏡分析滲層的組織特征，是以滲硼為主，其原因可能是滲劑的鋁含量相對(duì)較少，主要作為還原劑促進(jìn)滲硼，滲入的微量鋁全部固溶于硼化鐵中。共滲層顯微硬度與性能見(jiàn)表6，滲層金相組織見(jiàn)圖6。表6 T10鋼稀土硼鋁共滲層硬度與性能共滲工藝滲層厚度（um）顯微硬度（HV）相結(jié)構(gòu)850，3h3717

26、72雙相850，4h441620雙相4%硝酸酒精腐蝕 Re為2%圖6 T10鋼950共滲3h 顯微組織 ×100X射線衍射結(jié)果表明圖7,共滲層主要由FeA1B + (FeAI)2B雙相構(gòu)成。圖7 共滲層的X射線衍射圖4.4 滲層中鋁的擴(kuò)散機(jī)制由于硼鋁化合物形成溫度高于鐵的熔點(diǎn)，故在鋼鐵劃材的B-A1共滲時(shí)，共滲劑提供的B、A1不能在介質(zhì)發(fā)生作用形成化合物，共滲反應(yīng)完全取決于B、 Al二組元分別與Fe的作用。當(dāng)共滲劑中的B勢(shì)大大高于Al勢(shì)時(shí)，可抑制A1在滲層中的擴(kuò)散，從而獲得硼化物滲層，當(dāng)共滲劑中的F e勢(shì)降低達(dá)到均勢(shì)擴(kuò)散時(shí)，B、Al原子將共同擴(kuò)散而可獲得各具獨(dú)立結(jié)構(gòu)的化合物層。鋁滲入

27、了基體，并存在于次表層中，且分布不均勻。分析認(rèn)為，鋁的滲入是領(lǐng)先于硼或硼化物沒(méi)有完全覆蓋表層時(shí)完成的?；钚訠、Al原子首先吸附在試樣的表面等缺陷處，然后沿晶界、位錯(cuò)等擴(kuò)散進(jìn)入基體。由于硼在-Fe中的溶解度較小，則首先開(kāi)始形成Fe2B晶核。這時(shí)因鋁的溶解度大，尚未形成晶核。Al原子繼續(xù)向擴(kuò)散，F(xiàn)e2B晶核進(jìn)一步長(zhǎng)大。鋁也達(dá)到了飽和溶解度，開(kāi)始發(fā)生偏聚并形成化合物晶核。隨著B(niǎo)的不斷擴(kuò)散和Fe2B的進(jìn)一步長(zhǎng)大將試樣表面完全覆蓋，阻礙了Al原子擴(kuò)散。使鋁的濃度梯度趨于平緩，甚至出現(xiàn)負(fù)濃度梯度。則鋁化物晶核不再長(zhǎng)大或長(zhǎng)大緩慢，且不能向推移，隨著硼化物晶核進(jìn)一步擇優(yōu)取向長(zhǎng)大，將鋁化合物包圍在硼化合物中，留

28、在次表面。在以后的晶核長(zhǎng)大過(guò)程中，鋁化合物的尺寸和鋁原子的濃度變化不大。4.5 鋁和碳的作用根據(jù)分析可知，加入稀土后Al的滲入量增加，Al的滲入是領(lǐng)先于B或在硼化物沒(méi)有完全覆蓋表層時(shí)完成的，故Al在滲層表面形成了化合物，鋁化合物的增加使?jié)B層的硬度和耐熱性能得以提高。滲劑中雖然沒(méi)有C，但滲層中卻形成了碳化物，究其來(lái)源認(rèn)為，由于B原子的滲入形成了硼化物，硼化物是不容C的，將C排擠到過(guò)渡層與化合物齒間，使純鐵試樣中的雜質(zhì)C(含量0.002%)發(fā)生偏聚，根據(jù)熱力學(xué)原理，當(dāng)成分和能量滿足形成化合物條件時(shí)，便形成碳化物。然而，能在鋼中形成碳化物的元素都屬于過(guò)渡族金屬，其d層電子未填滿程度比Fe高，在周期表

29、中都位于Fe的左邊，Al則是石墨化形成元素，不能與C直接結(jié)合形成化合物，在B的參與下形成了B、Al、C的特殊化合物。由于稀土的加入使得這些B、C等小原子在稀土周圍偏聚量增加，造成形成化合物的有利地點(diǎn)，晶形核地點(diǎn)的增加，避免了金屬間化合物的完全沿晶析出，其組織彌散性增加，從而改善了性能。4.6 稀土元素的作用稀土在硼鋁共滲中的作用研究近年來(lái)獲得了許多成果，所得滲層具有耐熱、耐蝕、耐磨、硬度高等優(yōu)良性能，并逐步得到應(yīng)用1112。試驗(yàn)證明有La（鑭）和Ce（鈰）進(jìn)入滲層，并形成了化合物。分析認(rèn)為：一方面稀土的原子半徑比Fe大得多，只能通過(guò)位錯(cuò)或晶界等缺陷處擴(kuò)散進(jìn)入金屬表面，并在晶界偏聚，稀土原子周圍

30、產(chǎn)生較大畸變區(qū)，使得空位濃度和位錯(cuò)密度增加，從而通過(guò)位錯(cuò)強(qiáng)化或晶界強(qiáng)化提高滲層的性能；另一方面，根據(jù)固體分子與經(jīng)驗(yàn)電子理論，稀土原子半徑是可變的，稀土原子一旦達(dá)到鋼表面產(chǎn)生吸附時(shí)，其價(jià)電子就會(huì)被Fe晶格吸引與Fe原子形成電子鍵。稀土原子的第一電離能很小，即稀土原子失去電子所需能量很低，發(fā)生吸附后稀土原子的價(jià)電子容易發(fā)生偏移或部分地脫離原子核的束縛，引起稀土原子的極化或離子化，導(dǎo)致其原子半徑減少；在共滲溫度下，原子半徑減小后的稀土原子通過(guò)空位或雙空位擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)入Fe的晶體，占據(jù)空位位置形成置換固溶體或?qū)⑵渌嗟腂、C等間隙原子帶入了間隙中，改變了晶格尺寸，使?jié)B層齒間的Fe晶面間距有所增大,從而

31、增強(qiáng)了滲層與基體之間的結(jié)合力,改善了性能。稀土在硼鋁共滲過(guò)程中提高了硼和鋁的活性，從而使表面含硼、鋁量提高、稀土元素存在區(qū)域有鋁的富集。至于稀土元素本身的滲人機(jī)理與對(duì)硼，鋁元素的擴(kuò)散作用。已有人作了解釋。特別是根據(jù)固體分子經(jīng)臉電子理論。稀土原子半徑是可變的，稀土原子一旦達(dá)到鋼表面產(chǎn)生吸附時(shí)，其價(jià)電子就會(huì)被鐵晶格吸引與鐵原子形成電子鍵。稀土原子的第一電離能很小，即稀土原子失去電子所需能里很低，發(fā)生吸附后稀土原子的價(jià)電子容易發(fā)生偏移或部分地脫離原子核的束縛。引起稀土原子的極化或離于化，導(dǎo)致其原子半徑減小，由此解釋了稀土原子溶入鐵晶體中的問(wèn)題。稀土元素滲入后，使表面金屬晶格發(fā)生較大畸變，造成AI,B

32、等活性原子的擴(kuò)散通道，有利于硼相的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，同時(shí)也有利于大原子AI向晶的擴(kuò)散,并且稀土元素在晶界上產(chǎn)生偏聚，使晶界化學(xué)成分發(fā)生變化，影響晶界移動(dòng)和晶粒的長(zhǎng)大。稀土元素沿晶界的擴(kuò)散抑制了Fe2B晶核的橫向生長(zhǎng)，使齒端變尖，在試驗(yàn)中觀察到了這一現(xiàn)象。稀土元素大部分以化合物的形式存在，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%0.20%的圍，主要形成稀土的氧化物、稀土硫化物與稀土硫化物夾雜，當(dāng)稀土質(zhì)量含量足夠高時(shí)，還形成稀土碳化物或與鐵形成金屬間化合物，但這種化合物究竟是何種化合物還有待于今后進(jìn)一步研究。4.7 活化劑的作用活化劑是在硼鋁共滲過(guò)程中，與共滲劑發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)生成活性硼原子和鋁原子的組分，是影響硼鋁共滲

33、速度的主要因素。在研制固體共滲劑的初期主要用NH4CI、NaCI、AIF3等鹵化物和如(NH4 )2C03等碳酸鹽。西德首先采用KBF4為活化劑，使?jié)B硼的實(shí)用溫度降低到900以下，促進(jìn)了固體滲硼工藝的應(yīng)用。國(guó)在此基礎(chǔ)上研究了用活化劑進(jìn)行復(fù)合催滲，如KBF4 + SiC,KBF4+NH4HCO3,KBF4+NH4ClKBF4+Fe2O313等。這些活化劑都可不同程度地提高滲硼速度，降低滲硼溫度。文獻(xiàn)14用廉價(jià)的氟硅酸鈉代替氟硼酸鉀，使?jié)B硼劑成本進(jìn)一步降低。實(shí)踐表明，氟化物復(fù)合鹽的活化效果比單一鹵化物要好得多，氟化物要比氯化物好，用氯化物活化，特別是用NH4C1活化時(shí)常使硼化物層的疏松加重。過(guò)量氟

34、化物蒸氣對(duì)人體有一定損害，有的氟化物氣體有特殊氣味，對(duì)車間環(huán)境有污染。我國(guó)已出現(xiàn)無(wú)煙無(wú)毒滲硼劑15，以采用Na2C03為活化劑，Na2SiF6+Na2CO3為復(fù)合活化劑16。文獻(xiàn)17報(bào)導(dǎo)了 不加活化劑也可得到較為理想的硼化層。5. 結(jié)論（）根據(jù)滲層厚度極差分析得到的結(jié)果：影響滲層厚度與質(zhì)量的工藝因素的主次關(guān)系為：硼鋁共滲溫度保溫時(shí)間鋁含量稀土含量。（）根據(jù)滲層厚度平均值得知，最優(yōu)方案：加熱溫度為950，純鋁加入量為2%，稀土加入量為4%，保溫時(shí)間為4h。 （）在合適的加熱溫度條件下，保溫時(shí)間越長(zhǎng)滲層越厚，這是隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)硼原子獲得了充分?jǐn)U散機(jī)會(huì)。（）在一定的保溫時(shí)間條件下加熱溫度越高滲層越厚，這是隨