【導(dǎo)讀】比，滲硼時(shí)的保溫時(shí)間和滲硼溫度。每個(gè)變量都做3個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)中所做不。易造成嚴(yán)重的結(jié)塊現(xiàn)象。對不同保溫時(shí)間后的試樣的對比分析，發(fā)現(xiàn)5小時(shí)是本實(shí)驗(yàn)的最。升，滲層厚度也增加，在920℃左右是比較合適的滲硼溫度。綜合對比考慮后，得出了最

　　

【正文】 試樣表面后，干凈脫污后的標(biāo)本被帶入實(shí)驗(yàn)室，在 H2氛圍中對標(biāo)本進(jìn)行濺射清洗是首先要進(jìn)行的。在 Ar： H2（ 2： 1）的氣體環(huán)境中，用不同配比的硼和硼砂的混合物做滲硼劑的等離子滲硼處理開始了，要在 1023， 1073， 1123， 1173 和 1223 K 幾個(gè)不同溫度下加熱長達(dá) 7 個(gè)小時(shí)。用顯微掃描電鏡（日立 52400）研究它的微觀結(jié)構(gòu)， 在20 千伏加速電壓下做了電子探針分析。維氏硬度測定使用了 公斤力負(fù)荷，采用 7 個(gè)讀數(shù)的平均值。 CuK 射線衍射儀被用于 X 射線衍射分析。等離子膏劑滲硼用的器具和其他試驗(yàn)的細(xì)節(jié)在參考文獻(xiàn) [6]中用描述 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 膏劑混合物的比例對硼化物層形成的影響 Fig1 The effect of various ratios of amorphous boron and borax mixture thickness of the boride layer. 圖 1. 不同配比的無定 形硼和硼砂的混合物對硼化物層厚度的影響 25 圖 .1 顯示了用不同比例的膏劑滲硼在 1123 K 溫度下保溫 小時(shí)后 硼化物層 的厚度。觀察了用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%和 70%的硼砂形成的厚 硼化物層 。而用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 100%的無定形硼形成的任何可測量厚度的 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。 當(dāng)硼砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到 20%時(shí)，活躍形成的滲硼層被觀察。在滲硼期間，硼原子，B0，是通過膏劑中的硼的氫化物（ BnHm）的分解產(chǎn)生的，而且這個(gè)硼原子 B0變成熔融的硼砂或輝光 放電里活躍的硼原子 B+1。最后，這個(gè)硼原子， B+1，擴(kuò)散，和鐵反應(yīng)，然后形成 硼化物層 。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%的硼和 70%的硼砂的膏劑形成的 硼化物層 也被觀察，這可能歸因于有效的液態(tài)電解機(jī)制，當(dāng)隨著膏劑中硼砂數(shù)量的增加，熔融硼砂的流動(dòng)性增加的時(shí)候。 此外，用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 40 和 55%的膏劑，滲硼時(shí)比較慢速率被觀察，正如圖 1 所示。據(jù)推測，對包括氣體，電解，液體非電解等在內(nèi)各種滲硼機(jī)制來說，活躍在這個(gè)成分范圍內(nèi)將是困難的，由于一些原因，因此需要進(jìn)一步調(diào)查研究。 圖 1 中不銹鋼 硼化物層 的厚度低于溫和的碳素鋼，這證實(shí)了以前報(bào)告過的 結(jié)果 [7,8]。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]。 也有人指出，由于硼的數(shù)量的增加，膏劑變得過量，粘著在標(biāo)本的表面當(dāng)?shù)入x子膏劑 滲硼開始后，導(dǎo)致這膏劑的回收率非常低?？紤]到硼元素的高成本，因此推斷出等離子膏劑滲硼用的最佳膏劑成分是質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%的無定形硼和 70%的硼砂。 溫度和時(shí)間對滲硼層形成率的影響 Fig. 2. Relation between the boroniding temperature and times on the thickness of the boride layer. 圖 2 滲硼溫度和時(shí)間之間的關(guān)系對 硼化物層 深度的影響 圖 2 顯示了滲硼溫度和時(shí)間對 硼化物層 深度的影響。根據(jù)拋物線原理，隨著滲硼時(shí)間和溫度的增加， 硼化物層 的深度也跟著增加。這表明 硼化物層 的形成率變的緩慢了隨著滲 26 硼時(shí)間的增加。這可以用這樣一個(gè)事實(shí)解釋：形成于表面的 硼化物層 的下面的富鎳層和富鉻層扮演了擴(kuò)散屏障的角色，抑制活性硼擴(kuò)散。進(jìn)一步的解釋將在文章后面給出。 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 是不斷增長的滲硼層的比率。 計(jì)算 AISI 304 不銹鋼滲硼層形成的活化能（等離子膏劑滲硼法），并與由 fuda 提出的熔鹽電解滲硼方法 比較 [10]。 從 k 在公式中的數(shù)值，相對擴(kuò)散系數(shù)的值，可估計(jì)出形成在 AISI 304 不銹鋼表面的 硼化物層 的深度 D。設(shè)增長的滲硼層的比率 k 的常量平方為 K，那 K 就是擴(kuò)散系數(shù)。因此，它的溫度依賴關(guān)系可以用一個(gè) Arrhenius 方程表示 : K=K0exp(?Q/RT) (2) Q 是 硼化物層 形成的活化能。 . Arrhenius plot of the velocity constant in plasma paste boroniding. 圖 4 等 離子膏劑滲硼中的速度常數(shù)的 Arrhenius 圖表 27 Fig. 5. Variation in boride layer thickness and activation energy for the boride layer formation under different boroniding processes. 圖 5 不同滲硼工藝下，硼化物層厚度和形成硼化物層的活化能的變化 . 圖 4 顯示了 K， K 的對數(shù)， T 的倒數(shù)幾個(gè)要素之間的線性關(guān)系，而且從斜率可算出AISI 304 不銹鋼表面 硼化物層 形成的活 化能。在用等離子膏劑滲硼法的情況下，計(jì)算出的123 千焦每摩爾的活化能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用熔鹽電解滲硼方法滲 Fe18Cr8Ni 合金計(jì)算出來的240 千焦每摩爾的活化能 .這可能表明用等離子膏劑滲硼法 硼化物層 的形成要比其他的滲硼方法容易些，而且實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果支持這個(gè)結(jié)論。在同樣的滲硼溫度和時(shí)間條件下（ 1173K 和 3 小時(shí)），用等離子膏劑滲硼法得到的 硼化物層 厚度是 24 微米，而用熔鹽電解滲硼方法得到的 硼化物層 厚度是 18 微米（見圖 5）。等離子膏劑滲硼法的高的滲硼率可歸因于通過氣體機(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。 截面硬度分布的變化 28 Fig. 6. Hardness curves of AISI 304 boronized for various times at 1173 K. 圖 6. AISI304 不銹鋼在 1173K 下硼化時(shí)，不同時(shí)間的硬度曲線 等離子滲硼標(biāo)本在 1023， 1073， 1123K，保溫 7 個(gè)小時(shí)得到的 硼化物層 厚度不能被測量，它們的硬度測量也是不可能的。在 1173 和 1223K 溫度下等離子滲硼，無論如何，形成了 30～ 40 微米厚的 硼化物層 ；對等離子滲硼標(biāo)本在 1223K 保持 7 小時(shí)后的截面硬度測量結(jié)果總結(jié)在圖 6 上。在等離子滲硼 7 小時(shí)后的標(biāo)本上發(fā)現(xiàn)了最大深度為 45 微米的滲層，和最高硬度為 1800～ 2021 的滲層。 截面 硼化物層的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析 Fig. 7. Microstructure of the boride layer. 圖 29 對 AISI304 不銹鋼在 1023～ 1223K 處理 3， 5， 7 個(gè)小時(shí)的滲硼層的截面微觀結(jié)構(gòu)檢查研究后，發(fā)現(xiàn)隨著滲硼溫度和時(shí)間的增 長， 硼化物層 厚度也跟著增長。在滲硼碳鋼中能正常觀察到的齒狀結(jié)構(gòu)在滲硼不銹鋼中觀察不到。相反，如圖 7 [11]所示，在 1173K 滲硼 3小時(shí)后的不銹鋼 硼化物層 中出現(xiàn)了扁平結(jié)構(gòu)。 等離子滲硼標(biāo)本的截面微結(jié)構(gòu)顯示了一層 硼化物層 ，富鎳層，富鉻層，還有基體，和其他研究者觀察的結(jié)果一致 [12]。用電子探針對圖 7 的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行成分分析。結(jié)果顯示硼化物層 含大約質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4 的鎳，基體還有大約 的鎳。這解釋了在 硼化物層 下的富鎳層的形成。在等離子滲硼期間，當(dāng) 硼化物層 中過量的鎳需要擴(kuò)散到基體時(shí)，富鎳層在 硼化物層 和基體之間形成。另 外，觀察圖 7 中在富鎳層下的富鉻層（大約質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 28%的鉻）。根據(jù)目前用電子探針對硼的線性分析，在等離子滲硼期間，觀察到 硼化物層 有高度的硼集中現(xiàn)象，富鉻區(qū)硼的高度集中也被探測到，這表明在這個(gè)區(qū)域有大量的鉻硼化物形成。 此外， Katagiri 觀察了 硼化物層 中的小氣孔和用氯化硼，氫氣對純鐵滲硼形成的硼化物層中相似的氣孔。由于這些氣孔對滲層的機(jī)械性能是不利的，所以大量的判斷這些氣孔形成機(jī)制的研究已經(jīng)進(jìn)行。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。據(jù)報(bào)道，擴(kuò)散退火處理時(shí)有效去除滲層 氣孔的方法 【 13】 。 . X 射線衍射分析 圖 8 顯示在各個(gè)溫度下，等離子滲硼處理 3 個(gè)小時(shí)的標(biāo)本的 X 射線衍射分析結(jié)果。正如圖 8 顯示的，觀察到了如 FeB， CrB， Ni3B 等硼化物的高峰，但 Fe2B 沒有得到證實(shí)。探測到的最強(qiáng)高峰是 CrB，表明有大量的 CrB 在 硼化物層 中形成。在 1123K 溫度下，等離子滲硼處理 7 小時(shí)的標(biāo)本的表面距離函數(shù)的 X 射線衍射分析結(jié)果。圖 9（ b 和 c）分別顯示了離等離子滲硼表面距離 10 和 20 微米的區(qū)域的 X 射線衍射分析結(jié)果。根據(jù)圖 9 中的結(jié)果，證實(shí)在 硼化物層 和基體之間存在 Ni3B 和 CrB 層。 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 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。(d)1173K；（ e） 1223K。 31 . Fig. 9. Xray diffraction patterns obtained from boride layer formed on AISI 304 (1123 K/7 h): (a) surface, (b) 10μm cutoff and (c) 20μm cutoff 圖 9. 在 AISI304 不銹鋼（ 1123K/7h）表面形成的硼化物層的衍射花樣 (a)表面；（ b） 10 微米深；（ c） 20 微米深 結(jié)論 （ 1） 對 AISI304 不銹鋼的等離子膏劑滲硼來說，形成 硼化物層 的最有效、最經(jīng)濟(jì)的膏劑配比是質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%的無定形硼和 70%的硼砂。 （ 2）用等離子膏劑滲硼法，可以比傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散滲硼法在一個(gè)較短時(shí)間和較低溫度下，得到扁平結(jié)構(gòu)的厚 硼化物層 。 （ 3）用等離子膏劑滲硼的 AISI304 不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)由遠(yuǎn)及近分別是 硼化物層 ，富鎳層，富鉻層，基體等。在滲硼過程中，含低溶解度鎳的硼化物層形成在表面，過量的鎳通過擴(kuò)散在 硼化物層 下面形成富鎳層。 Cr 元素中的一些進(jìn)入硼化物層，另一些擴(kuò)散到基體，從而在富鎳層和基體之間形成富鉻層 。 （ 4） AISI304 不銹鋼形成硼化物層的活化能是 123 千焦每摩爾，這是明顯低于傳統(tǒng)熱擴(kuò)散滲硼法測到的數(shù)據(jù)的。 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。本研究是在恩師吳振卿教授的全力指導(dǎo)下完成的，吳老師注重研究深入，更是要求我抓好基礎(chǔ)知識，從畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的制定和施行再到最后的論文，吳 老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。 吳 老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我 做人 ， 對 吳 老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。 在此我由衷地感謝您，我的老師 ! 我要感謝我的學(xué)長 XXX、 XXX 碩士，他們多次帶我走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。感謝與我同組的四名本科生，我們經(jīng)常在一起討論實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、相互鼓勵(lì)和督促，他們對我的實(shí)驗(yàn)和論文寫作給予了極大幫助。 我要感謝我的學(xué)院為我做畢業(yè)設(shè)計(jì)提供的良好環(huán)境，為了方便進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)院組織我們進(jìn)行校區(qū)搬遷，感謝實(shí)驗(yàn)室老師對我提供的支持和幫助。 感謝我的同學(xué) 們四 年來對我學(xué)習(xí)、生活的關(guān)心和幫助 。 最后，向我的父親、母親、 哥哥、弟弟 致謝，感謝他們 對我的理解與支持 。 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， 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！