【文章內(nèi)容簡介】 磨粒磨損條件下工作的工件。 7 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) 滲硼爐冷 滲硼調(diào)質(zhì) （ 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8～ 19倍。但在硝酸中 ,滲硼后的耐蝕性僅為未滲硼者的 1/ 9 ,所以滲硼層不適宜在硝酸環(huán)境中使用。 表 4 1Cr5Mo鋼不同狀態(tài)下腐蝕實驗數(shù)據(jù)（失重量 /g） 3HCl H2SO4 NaOH HNO3 滲硼 未滲硼 提高倍數(shù) 9 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。 選題意義和需要解決的問題 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)了大量因材料磨損而導(dǎo)致使用壽命降低甚至報廢的情況，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。 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 8 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，滲硼時間也對脆性有影響，一般 880攝氏度滲硼，保溫 4小時，此時脆性最小，韌性好；再次，冷卻條件的不同也對滲層脆性有影響， 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。 實驗中應(yīng)該要注意以下問題： (1)試驗過程中要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范，并記錄好實驗數(shù)據(jù)。 (2)試驗結(jié)果與分析：根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析看是否與理論值一致并進(jìn)行詳細(xì)分析。 (3)得出試驗結(jié)論。 9 2 實驗內(nèi)容 滲硼工藝 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 26003400HV，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 Q23 20 的滲硼效率高，易獲得單相 Fe2B 層 39。硼化物呈梳齒狀 39。與基體結(jié)合力強(qiáng)，適用對基體強(qiáng)度要求不高的耐磨或抗蝕件。中碳結(jié)構(gòu)鋼中的 4 40Cr 滲硼效率中等，可獲得齒狀硼化物，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作為本次試驗的基體 材料。 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（ ℃ ） 時間（ h） 配方一 15 12 20 30+20 3 920 5 配方二 15 12 20 30+20 3 920 4 配方三 20 12 20 25+20 3 920 5 配方四 15 12 20 30+20 3 900 5 滲前準(zhǔn)備 ①硼砂：分子式為 Na2B4O7 ． 10H2O，由于含結(jié)晶水很多，必須除去其中的結(jié)晶水，使Na2B4O7更加純凈。將硼砂在 450℃下脫水處理 1 小時。試驗時用的已脫水硼砂，使用前經(jīng)100℃烘干 1 小時。 作用 :硼砂為主要供硼劑 ,在滲硼過程中提供活性 [B]原子。 ②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．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 。 10 使用前經(jīng) 100℃烘干 1小時。 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。 ③ 填充劑： 原料一般均采用工業(yè)純料，其中木炭一般為塊狀，配制時粉碎成粉末。 作用 : 滲劑中加入木炭、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。 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 20～ 30mm滲劑后再放入試樣，試樣與罐壁之間保持 10～ 15mm的間隙，然后再填充滲劑，試樣上表面復(fù)蓋 20— 30mm 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。這樣有利于保持滲劑的松散性。 固體滲硼時，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。 滲硼過程控制 將爐子升溫到 900℃時，將罐放入爐中，待溫度達(dá)到 920℃ 時開始計時，一號三號保溫 5小時，二號保溫 4小時 ，四號在 900℃保溫 5 小時 。出爐后，空冷至室溫后取出試樣。 滲后試樣檢查與缺陷分析 滲后發(fā)現(xiàn)三號罐比一號二號 四號 燒結(jié)嚴(yán)重，主要是因為三號滲 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。 試樣的制作 試樣的選取 本實驗選取的 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， 11 20 鋼的尺寸為 216。12mm15mm， 40Cr 的尺寸為 216。14mm15mm。 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。在磨制試樣時步驟如下，首先用 100 號的粗砂紙磨平試樣表面，然后用再用 200、 400、 600、 800 號金相砂紙磨光。磨光時施加的壓力大小要合適，在更換下道細(xì)砂紙時不必減少壓力，因為在合適的范圍內(nèi)施加的壓力大，磨光速率也大，而對損傷層的影響并不大。但是用力不宜過大，時間也不宜過長，以免試樣表面產(chǎn)生新的損傷層，給拋光帶來困難。磨樣時要注意：在第一張砂紙上試樣始終朝一個方向磨，換下一道砂紙的時候?qū)⒃嚇有D(zhuǎn) 90176。 ， 同樣只朝一個方向磨，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)出一個方向的細(xì)磨痕 。 （ 2）機(jī)械拋光 試樣經(jīng)磨制后，及時進(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。本實驗采用機(jī)械拋光，在機(jī)械拋光中拋光盤由電動機(jī)帶動，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 微米的 Cr2O3懸浮液，配比為 510 克 /升。拋光時間不宜過長，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，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。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。 腐蝕 方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作時均應(yīng)使 腐蝕 液均勻侵蝕樣品表面， 腐蝕 時間的長短，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 時間宜長些。 腐蝕 時間在相當(dāng)程度上取決于制作經(jīng)驗，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。本實驗采用 3%的硝酸酒精溶液 腐蝕 ，在腐蝕的 12 時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。 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 OLMPUSBH2三目金相顯微鏡對每個試樣的滲硼層、過渡層和基體 照 金相照片，記錄好 拍照 時 的 放大倍數(shù)和試樣編號，保存好照片記錄好數(shù)據(jù)以備分析，實驗結(jié)束后整理好實驗儀 器。 顯微硬度的測量 顯微硬度計，實際上是一臺設(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，置于顯微硬度計的載物臺上，通過加負(fù)荷裝置對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)生一個凹坑。把顯微鏡十字絲對準(zhǔn)凹坑，用目鏡測微器測量凹坑 兩條 對角線長度。儀器 根據(jù)所加負(fù)荷及凹坑對角線長度就可 自動 計算出所測物質(zhì)的顯微硬度值。本實驗加載載荷為 1kg，加載時間為 15s，加載和卸載完全自動化，每次測量后記錄好試樣編號和兩對角線長 度，輸入到硬度計上面顯示出顯微硬度，記錄好 顯微 硬度值，重復(fù)操作，每個試樣觀測 9個位置，包括滲硼層組織、過渡層組織和基體組織的顯微硬度，整理好實驗數(shù)據(jù)。操作硬度計的過程中要遵守操作規(guī)范，實驗結(jié)束后整理好實驗儀器。 13 3 實驗結(jié)果與分析 滲硼層的顯微組織觀察 滲硼層的顯微組織如圖 。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 滲硼層的金相組織（ 920℃ 5h） (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。 合金元素對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 足夠高時會取代部分碳形成 Fe3(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 14 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