【正文】 負(fù)責(zé)人簽字： 2021 年 12 月 5 日 學(xué)院審批意見 主管院長(zhǎng)簽字： 2021 年 12 月 5 日 18 附件 2： 鄭州大學(xué)畢業(yè)論文開題報(bào)告表 院（系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院 類別：論文 課題名稱 低碳鋼表面滲硼工藝的研究 導(dǎo)師姓名 吳振卿 職 稱 教授 學(xué)生姓名 程國(guó)興 學(xué) 號(hào) 20210800502 專業(yè) 材料成型及控制工程 一 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翻或硼鐵做供硼源，有成本較高的缺點(diǎn)。 在一定溫度范圍內(nèi)，隨著滲硼溫度的增加，滲層厚度也會(huì)逐漸增加，超過(guò)一定溫度，會(huì)加劇滲層脆性， 所以 溫度以 920℃左右為宜。 表 6 不同滲硼溫度下的滲層比較 The paration of the boroniding layer under different boroniding temperature 編號(hào) 溫度 保溫時(shí)間 厚度 備注 2 920℃ 5h 62μm 滲硼層連續(xù)，致密性好 6 850℃ 5h 32μm 滲硼層不太連續(xù)，致密性差 7 900℃ 5h 56μm 滲硼層連續(xù)，致密性好 由結(jié)果我們不難看出，隨滲硼溫度的提高，滲層厚度也隨之增加。因此，適當(dāng)?shù)臏p少石墨粉的含量可減輕它對(duì)滲硼速度的不利影響。 由于珠光體和鐵素體的特點(diǎn)比較相似，都是塑性 和韌性好，但強(qiáng)度和硬度低。滲硼層最外層比較疏松，次外層致密。由于 FeB和 Fe2B 的熱膨脹系數(shù)不同，它們之間易產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，在外部載荷下更易形成裂紋和脆斷卜不適于工業(yè)生產(chǎn)，因而單相滲層更加有利于鋼性能的發(fā)揮。把顯微鏡十字絲對(duì)準(zhǔn)凹坑，用目鏡測(cè)微器測(cè)量凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度。 本實(shí)驗(yàn) 試樣所采用的浸蝕劑為苦味酸 ((NO2)3C6H2OH)，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(guò)度侵蝕。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。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 。 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。 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。 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(lái)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(guò)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(guò)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。 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注意以下問(wèn)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。 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)。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。由于固體滲硼法無(wú)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。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。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。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。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。本文對(duì)硼砂型固體滲翻劑的配方及工藝過(guò)程作了一定的研究。對(duì)不同滲硼溫度后的試樣的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，滲層厚度也增加，在 920℃左右是比較合適的滲硼溫度。對(duì)不同保溫時(shí)間后的試樣的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn) 5 小時(shí)是本實(shí)驗(yàn)的最佳保溫時(shí)間。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。優(yōu)質(zhì)低碳鋼軋成薄板，制作汽車駕駛室、發(fā) 動(dòng) 機(jī)罩等深沖制品；還軋成棒材，用于制作強(qiáng)度要求不 高 的機(jī)械零件。 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。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。 3 滲硼 方法 滲硼法有固體滲硼、液體滲硼及氣體滲硼。如此滲硼后冷至室溫開箱時(shí)，滲劑松散，工件表面無(wú)結(jié)垢等現(xiàn)象，無(wú)需特殊清理。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。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。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。在此基礎(chǔ)上，我們選擇 20 鋼，尺寸為 70mm Ф12mm。把藥品混合攪拌均勻，這些都是滲硼前必須準(zhǔn)備好的。 磨光過(guò)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(wú)損傷。 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。同位相束中板條晶在金相侵蝕時(shí)以相同的方式受到侵蝕，在光學(xué)金相視場(chǎng)中形成均勻的塊狀結(jié)構(gòu)。侵蝕時(shí)間在相當(dāng)程度上取決于制作經(jīng)驗(yàn)，一般侵蝕到表面稍微發(fā)暗即可 ， 侵蝕好的樣品應(yīng)立即用 酒精擦 洗干凈，干燥后即可進(jìn)行金相觀察。金剛石壓頭壓入試樣后，在試樣表面上產(chǎn)生一個(gè)凹坑。滲硼層的相組成一般為單相的 Fe2B 或者是雙相的 FeB 和 Fe2B。滲硼層呈鋸齒狀嵌人過(guò)渡層和心部基體組織中，這種結(jié)構(gòu)有利于滲層與基體的牢固結(jié)合。碳溶于 αFe 中的間隙固溶體稱為鐵素體 ， 鐵素體的強(qiáng)度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性 。滲劑中加入石墨可以解決這一問(wèn)題，石墨粉加入量與滲劑成分有關(guān)， .若滲劑中石墨粉加入過(guò)多時(shí)，會(huì)降低滲硼速度和滲翩層的致密度，所以石墨粉的加入量也不能過(guò)多。 溫度的影響 試驗(yàn)中的 7 號(hào)罐是 在滲硼保溫時(shí)間為 5 小時(shí)，硼砂加入量為 15%時(shí)，在不同 保溫 溫度 的 下的滲層 對(duì)比。 （ 3） 在 5 小時(shí)的滲硼保溫時(shí)間下對(duì)滲硼溫度分別為 850℃ 、 900℃ 、 920℃ 的滲層進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)滲硼的溫度以 920℃ 為宜。 成果形式 論文 成果價(jià)值 通過(guò)本次研究， 對(duì)以硼砂為固體滲硼劑的工藝過(guò)程有了一定的深入了解，為以后在生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展打下基礎(chǔ)。但由于目前滲硼處理的溫度較高，滲硼處理后零件的變形較大以及滲層較薄、滲層脆性較大、成本較高等原因，限制了滲硼技術(shù)的推廣應(yīng)用，為此國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者在此方面做了大量的探索研究，如采取滲硼后獲得單 相的 Fe2B 或滲硼后進(jìn)行真空擴(kuò)散而得到單相 Fe2B，滲硼的共晶化處理及共滲與復(fù)合滲等工藝來(lái)降低滲硼層的脆性，目前的研究方向主要是降低滲硼溫度，多元復(fù)合滲硼改善滲層顯微組織、顯微硬度、脆性和耐磨性，以及滲硼共晶化使?jié)B層與基體呈冶金結(jié)合，從而改善以往的滲硼層脆性大、容易剝落等問(wèn)題 .但固體滲硼劑因多以碳化翻或硼鐵做供硼源，有成本較高的缺點(diǎn)。 對(duì)選取的試樣進(jìn)行 拋光， 觀察微觀組織，并獲取金相照片 。 2） 磨樣時(shí)導(dǎo)致試樣磨偏，表面不平。 硼化物層 表面 X 射線衍射分析顯示了 FeB, Ni3B, CrB 等的高峰期，而且 CrB 的比其他的更強(qiáng)烈。 然而，最近經(jīng)過(guò)改良的滲硼工藝如等離子滲過(guò)程 [4]已經(jīng)廣泛的研究，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的滲硼工藝 [5]，如正式鹽浴滲硼和氣體滲硼會(huì)出現(xiàn)如環(huán)境污染，毒性，爆炸性性質(zhì)等問(wèn)題。砂紙（＃1200 級(jí)）拋光標(biāo)本試樣表面后，干凈脫污后的標(biāo)本被帶入實(shí)驗(yàn)室，在 H2氛圍中對(duì)標(biāo)本進(jìn)行濺射清洗是首先要進(jìn)行的。而用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 100%的無(wú)定形硼形成的任何可測(cè)量厚度的 硼化物層 沒有被觀察到，這可能歸因于在等離子滲硼期間由于無(wú)定形硼的高熔點(diǎn)造成的用于表面擴(kuò)散的活性硼的缺少。這不僅是因?yàn)樵诓讳P鋼的表面有一個(gè)防護(hù)層，而且在鉻，鎳等硼化物的表面也有防護(hù)層，它們形成與晶界，從而阻止了硼的擴(kuò)散 [7,8]。 Fig. 3. Thickness of boride layer vs. square root of boroniding time under various boroniding temperatures. 圖 3. 滲硼層的厚度正比于時(shí)間的平方根在不同滲硼溫度下 圖 3 顯示出滲硼層的厚度是正比于時(shí)間的平方根，它們有以下關(guān)系： d=kt1/2, (1) k 是不斷增長(zhǎng)的滲硼層的比率。等離子膏劑滲硼法的高的滲硼率可歸因于通過(guò)氣體機(jī)制，電解機(jī)制，非電解機(jī)制產(chǎn)生的大量的活性硼原子 ，而這在熱擴(kuò)散法中是不存在的。用電子探針對(duì)圖 7 的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行成分分析。迄今為止，硼在 硼化物層 中的異構(gòu)分布被普遍認(rèn)為是 硼化物層中氣孔形成的主要原因。 30 Fig. 8. Xray diffraction patterns observed from the surface of the AISI304 which were bonded for 1 h at various temperatures: (a) 1023 K,(b) 1073 K, (c) 1123 K, (d) 1173 K and (e) 1223 K. 圖 8. 對(duì) AISI304 不銹鋼滲硼處理一小時(shí)后的表面觀察所得 X 射線衍射花樣 （ a） 1023K；（ b） 1073K；（ c） 1123K。 32 翻譯原文 33 34 35 36 37 致 謝 首先我要感謝我的導(dǎo)師 XXX 教授。 隨著畢業(yè)論文的完成，也意味著大學(xué)四年的學(xué)習(xí)即將畫上句號(hào)， 四年的求學(xué)生涯在 老師 、 同學(xué)和家人、朋友 的大力支持下 已臨近帷幕 ，走得辛苦卻也 受益良多！ 在此我要再次感謝大家，謝謝你們！