【正文】 件。低碳鋼在使用前一般不經(jīng)熱處理，碳含 量 在 ％以上的經(jīng)滲碳或氰化處理，用于要求表層 溫 度高、耐磨性好的軸、軸套、鏈輪等零件。 低碳鋼由于強(qiáng)度較低，使用受到限制。若降低鋼中碳含量并加入少量鋁、 少 量硼和碳 2 化物形成元素，則可得到超低碳貝 氏體 組織， 其強(qiáng)度很高，并保持較好的塑性和韌性 。 表面滲硼 表面熱處理介紹 表面熱處理 是一種對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化的金屬熱處理。它不改變零件心部的組織和性能。廣泛用于既要求表層具有高的耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和較大的沖擊載荷，又要求整體具有良好的塑性和韌性的零件，如曲軸、凸輪軸、傳動(dòng)齒輪等。表面熱處理分為表面化學(xué)熱處理和淬火兩大類。 化學(xué)熱處理：將工件置于含有活性元素的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層或形成某種化合物的覆蓋層，以改變表層的組織和化學(xué)成分，從而使零件的表面具有特殊的機(jī)械 或物理化學(xué)性能。通常在進(jìn)行化學(xué)滲的前后均需采用其他合適的熱處理，以便最大限度地發(fā)揮滲層的潛力，并達(dá)到工件心部與表層在組織結(jié)構(gòu)、性能等的最佳配合。根據(jù)滲入元素的不同 ，化學(xué)熱處理可分為滲碳 、滲氮、滲硼、滲硅、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲鋅、碳氮共滲、鋁鉻共滲等?；瘜W(xué)熱處理的目的：主要是提高剛件表面的硬度，耐磨性，抗蝕性，抗疲勞強(qiáng)度和抗氧化性等。 表面滲硼是一種應(yīng)用廣泛的表面化學(xué)熱處理技術(shù) 。 滲硼 滲硼定義： 在 鋼的表面滲入硼元素以獲得鐵的硼化物的工藝。 滲硼層的組織性能：鐵的表面滲入硼后，例如在 1000℃滲硼，由于硼在 γFe 中的溶解度很小，因此立即形成硼化物 Fe2B，再進(jìn)一步提高濃度則形成硼化物 FeB。硼化物的長(zhǎng)大，系靠硼以離子的形式，通過硼化物至反應(yīng)擴(kuò)散前沿 FeFe2B 及 Fe2BFeB 界面上來實(shí)現(xiàn)。因此，滲硼層組織自表面至中心只能看到硼化物層，如濃度較高，則表面為 FeB，其次為 Fe2B，呈梳齒狀楔入基體。當(dāng)滲硼層由 FeB 和 Fe2B 兩相構(gòu)成時(shí)，在它們之間將產(chǎn)生應(yīng)力，在外力 (特別是沖擊載荷 )作用下，極易產(chǎn)生裂縫而剝落。 在滲硼過程中，隨著硼化物的形成，鋼中的碳被排擠至內(nèi)側(cè)，因而緊靠硼化物層將出現(xiàn)富碳 區(qū)，其深度比硼化物區(qū)厚得多，稱擴(kuò)散區(qū)。硅在滲硼過程中也被內(nèi)擠而形成富硅區(qū)。硅是鐵素體形成元素，在奧氏體化溫度下，富硅區(qū)可能變?yōu)殍F素體，在滲硼后淬火時(shí)不轉(zhuǎn)變成馬氏體。因而緊靠硼化物區(qū)將出現(xiàn)軟帶 (HV300 左右 )，使?jié)B硼層容易剝落。鉬、鎢可強(qiáng)烈地減薄滲硼層，鉻、硅、鋁次之，鎳、鈷、錳則影響不大。滲硼具有比滲碳、碳氮共滲高的耐磨性，又具有較高耐濃酸 (HCI， H3PO4， H2SO4）腐蝕能力及良好的耐 10％食鹽水、 10％苛性堿水溶液的腐蝕，但耐大氣及水的腐蝕能力差．滲硼層還有較高的抗氧化及熱穩(wěn)定性。 3 滲硼 方法 滲硼法有固體滲硼、液體滲硼及氣體滲硼。由于氣體滲硼采用乙硼烷或三氯化硼氣體，前者不穩(wěn)定易爆炸，后者有毒，又易不解，因此未被采用?，F(xiàn)在生產(chǎn)上采用的是粉末滲硼和鹽浴滲硼。近年來由于解決了滲劑的結(jié)塊問題，粉末滲硼法獲得了愈來愈多的應(yīng)用。 目前最常用的是用下列配方的粉末滲硼法： 5％ KBF4+5％ B4C+90％ SIC + MnFe。把這些物質(zhì)的粉末和勻裝入耐熱鋼板焊成的箱內(nèi)，工件以一定的間隔 (20 一 30mm)埋入滲劑內(nèi)，蓋上箱蓋，在 900— 1000℃的溫度保溫 1— 5 小時(shí)后，出爐隨箱冷卻即可。 粉末滲硼法是固體 滲硼法的一種。 上列滲劑中各部分的作用是： B4C 為硼的來源， KBF4是催滲劑， SiC 是填充劑， MnFe則起到使?jié)B劑滲后松散而不結(jié)塊的作用。如此滲硼后冷至室溫開箱時(shí)，滲劑松散，工件表面無結(jié)垢等現(xiàn)象，無需特殊清理。由于固體滲硼法無需特殊設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，工件表面清潔，已逐漸成為最有前途的滲硼方法。 鹽浴滲硼 ： 常用硼砂作為滲硼劑和加熱劑，再加入一定的還原劑，如 SiC，以分解出活性硼原子。為了增加熔融硼砂浴的流動(dòng)性，還可加入氯化鈉、氯化鋇、或鹽酸鹽等助熔鹽類。 鹽浴滲硼屬于液體滲硼的一種。 常用鹽浴成分有下列三種： (1) 60％硼砂十 40％碳化硼或硼鐵；， (2) 50— 60％硼砂 +40— 50％ S1C； (3) 45％ BaCl+45％ NaCl+10％ B4C 或硼鐵 。 滲硼的應(yīng)用 冷作模具滲硼 冷作模具主要的要求是抗磨損，故滲硼對(duì)于因磨損失效的模具非常合適。對(duì)于只要求表面耐磨而基體強(qiáng)度要求不高的模具，滲硼后可不再進(jìn)行熱處理，這樣既可保持模具的表面光潔度，又可保持基本不變形。這類模具由于滲硼后不需要淬火回火，故可用廉價(jià)的普通碳素鋼制作，從而降低成本，節(jié)約合金鋼材。對(duì)于工作中承受較大壓力和沖擊的模具，滲硼后 必須重新淬火回火，以使基體達(dá)到所需的強(qiáng)韌性。當(dāng)然滲后重新加熱淬火時(shí)必須采用鹽浴加熱或涂敷防氧化劑，以免損壞滲硼層。這類模具一般均為粗形模具，如冷徽、冷拔、冷擠模等。 熱作模具滲硼 熱作模具一般包括熱沖、熱拔、熱擠、熱鍛和壓鑄模具，此類模具工作溫度高，模具溫升可達(dá) 600～ 700 0C，工作中要承受高溫、強(qiáng)力摩擦和急冷急熱的熱疲勞等服役條件， 4 所以這類模具以前多采用氰化、滲氮處理，但因工作溫度高而效果不明顯。對(duì)榴彈生產(chǎn)中的熱沖壓沖頭、氧氣瓶生產(chǎn)中的熱引伸沖頭、汽車前軸的熱鍛模和電子器件壓鑄模進(jìn)行了滲 硼生產(chǎn)應(yīng)用研究，并獲得了成功，特別是熱沖壓沖頭、熱引伸沖頭，經(jīng)滲硼回火后使用壽命提高 3～ 6倍。另外在壓鑄模方面以普通碳素鋼滲硼替代 3Cr2W8V高合金鋼取得了成功。 滲硼技術(shù)的其他應(yīng)用 滲硼技術(shù)也應(yīng)用到了石油機(jī)械上，如用于超低碳鉻鎳不銹鋼制的閥桿、耐熱鋼制分離器殼體等均獲得成功。滲硼工藝還成功地應(yīng)用于飼料粉碎機(jī)的錘片、泥漿泵鋼套和可鍛鑄鐵制件，以及紡織機(jī)械導(dǎo)板配件等。 選題意義 我所研究的是低碳鋼表面滲硼的工藝，因固體滲硼劑因多以碳化 硼 或硼鐵做供硼源，有成本較高的缺點(diǎn)。近年來研究了以廉價(jià)的 硼砂作為固體滲硼劑的供硼源，獲得了較大的進(jìn)展大大降低了滲劑的成本。然而有關(guān)這類滲劑的性能以及它在生產(chǎn)中的應(yīng)用的報(bào)道還不多見。由于滲硼工藝的廣泛應(yīng)用，而且滲硼后的工件硼化物層具有硬度高、耐蝕性、耐磨性好，抗高溫氧化性及紅硬性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)硼砂型固體滲翻劑的配方及工藝過程作了一定的研究，因此，選取此課題有很大的意義。 實(shí)驗(yàn)中需解決的問題 通過實(shí)驗(yàn)研究滲劑中硼砂的用量，以及在什么樣的溫度和保溫時(shí)間下，可以得到比較理想的滲層厚度和均勻組織。溫度、保溫時(shí)間、滲硼劑等都是實(shí)驗(yàn)是需要綜合考慮和對(duì)比的。最后用金相 顯微鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行金相組織觀察，并用顯微硬度記測(cè)量硬度。 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注意以下問題： （ 1）要注意安全，嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)要求，不該做的一定不能做，聽從老師和有關(guān)人員的指示和要求。 （ 2）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)。 （ 3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按照要求對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和觀察。 （ 4）實(shí)驗(yàn)所用藥品，用后放回原處，并洗手，防止中毒等危險(xiǎn)情況發(fā)生。 5 2 實(shí)驗(yàn)過程 滲硼工藝 母材的選取 滲硼工藝發(fā)展以來，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，很多材料可以滲硼或適合滲硼，其中滲硼在鋼鐵上的研究和應(yīng) 用是最多的。由于硼化物層具有高的耐磨性，則尋求足夠強(qiáng)度、硬度和一定塑性的基體與硼化物層配合是十分重要的，即滲硼的選材是十分重要的。在低碳鋼里面， Q235 和 20 鋼經(jīng)常被用于進(jìn)行滲硼處理，滲硼效率高，易獲得單相層，硼化物成梳齒狀，與基體結(jié)合力強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，我們選擇 20 鋼，尺寸為 70mm Ф12mm。 20 鋼的力學(xué)性能： 抗拉強(qiáng)度 σb (MPa)： ≥410(42) 屈服強(qiáng)度 σs (MPa)： ≥245(25) 伸長(zhǎng)率 δ5 (％ )： ≥25 斷面收縮率 ψ (％ )： ≥55 硬度 ：未熱處理 ,≤156HB 滲硼配比及處理工藝的制定 表 1 滲硼實(shí)驗(yàn)方案 Table 1 The program of boroniding experiment 代號(hào) 滲劑配方 處理工藝 1 10％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +35% 石墨 +3%NH4Cl 920℃ x5h 2 15％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +30% 石墨 +3%NH4C 920℃ x5h 3 20％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +25% 石墨 +3%NH4C 920℃ x5h 4 15％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +30% 石墨 +3%NH4C 920℃ x6h 5 15％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +30% 石墨 +3%NH4C 920℃ x4h 6 15％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +30% 石墨 +3%NH4C 850℃ x5h 6 7 15％ Na2B4O7+12％ KBF4+20%Si3Fe4+20％活性碳 +30% 石墨 +3%NH4C 900℃ x5h 上 述 滲劑中各部分的作用是： Na2B4O7是供硼劑，提供硼的來源； KBF4是活化劑，產(chǎn)生氣態(tài)化合物，提高滲劑的活性，加速滲硼過程； Si3Fe4 是還原劑，活性碳和石墨是填充劑，是滲劑的載體，具有防止燒結(jié)，保持滲劑的松散性和還原性氣氛的作用； NH4Cl 是助滲劑 工藝過程流程： 混料配方 →加熱烘干 →入罐混合 →裝罐 →密封 →入爐 滲硼前準(zhǔn)備 滲硼前，要把試樣準(zhǔn)備好， 用砂紙 對(duì)試樣表面進(jìn)行除銹處 理， 直到表面光亮如新，看不到原有的鐵銹為止， 試樣表面不能有油污等一些可能阻止硼原子進(jìn)入試樣的東西， 試驗(yàn)前試樣必須充分清洗，清洗方法視試樣表面狀況和污物性質(zhì)而定。不能使用會(huì) 浸蝕試樣表面的磨料和溶劑 ， 試樣洗凈后，必須避免沾污。 清理干凈。對(duì)滲硼所用的爐子進(jìn)行檢查，確保爐子的實(shí)用性和安全性。實(shí)驗(yàn)所用的藥品，按照配比稱量準(zhǔn)確。對(duì)于硼砂要先在爐溫350℃下脫水處理一個(gè)小時(shí)，等冷卻后再稱量所需的量。然后把除 NH4Cl 、硼砂外的其他藥品在 100℃下干燥半小時(shí)。把藥品混合攪拌均勻，這些都是滲硼前必須準(zhǔn)備好的。 進(jìn)行滲硼 把滲劑裝入滲硼所用的 罐子里 ，在罐底鋪約 10 mm 厚的固體滲硼劑 （ Na2B4O7+KBF4+ Si3Fe4+活性碳 +石墨 +NH4Cl 的不同比例的混合物） ， 然后放入試樣， 試樣埋在滲硼劑的中央，與壁之間留有 1020 mm 的距離，試樣之間間隔 2030mm，之后把剩余的滲劑裝入，最后用石棉繩和粘土把罐子密封好。本實(shí)驗(yàn)用箱式電阻爐，按照實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置好爐溫后，等爐子加熱到指定溫度后，放入滲硼罐子，并計(jì)時(shí)。要定時(shí)對(duì)爐子進(jìn)行查看，確保各種參數(shù)的穩(wěn)定，做好各種數(shù)據(jù)的記錄和整理，確保實(shí)驗(yàn)正常的進(jìn)行。最后實(shí)驗(yàn) 結(jié)束后，關(guān)掉爐子，取出罐子并空冷。待冷卻后，取出試樣并清理，記錄現(xiàn)象。 試 樣的制備 試樣的截取 利用線切割技術(shù)從編號(hào)分別為 7 號(hào)的滲硼后的母材上截取試樣，試樣尺寸為 15mm 12mm 的圓柱體，并分別按照原來的編號(hào) 7 號(hào)， 7 然后開始制作金相試樣。 制作金相試樣 制作金相試樣時(shí)，首先要進(jìn)行磨光。 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(zhǎng)，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) 90176。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，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。 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 ，本試樣采用絨布作為拋光布 。拋光 膏 為在水中加入粒度為 微米的 Gr2O3懸浮液，配比為 510 克 /升。拋光時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以磨痕全部消除呈鏡面即可停止，清洗干燥后備用。 試樣經(jīng)拋光之后進(jìn)行侵蝕，試樣的 侵蝕屬于電化學(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，在化學(xué)侵蝕液中具有