【正文】 ...................... 8 顯微硬度的測(cè)量 ...................................................... 8 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ............................................................. 9 滲層組織形貌分析和硬 度 .............................................. 9 過(guò)渡層組織分析和硬度 ............................................. 10 基體的組織分析和硬度特點(diǎn) ......................................... 11 滲劑中硼砂含量的影響分析 ......................................... 12 保溫時(shí)間的影響 ................................................... 13 溫度的影響 ....................................................... 13 現(xiàn)場(chǎng) ............................................................. 14 4 結(jié)論 ................................................................... 15 參考文獻(xiàn) .................................................................. 16 附件 1：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) ............................................. 17 附件 2：鄭州大學(xué)畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告表 ......................................... 18 附件 3：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）計(jì)劃進(jìn)程表 ......................................... 20 2 附件 4：鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查表 ......................................... 21 附件 5：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定表 ......................................... 22 外文翻譯 .................................................................. 23 翻譯原文 .................................................................. 32 致 謝 ................................................................... 37 1 1 概述 緒論 滲硼工藝自誕生至今已有 100 多年的歷史，此間國(guó)內(nèi)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，其中固體滲硼因具有操作方便、使用設(shè)備簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn) 因而 在生產(chǎn)中得到較廣泛的應(yīng)用。 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)。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(jiàn)。 低碳鋼介紹 低碳鋼的特點(diǎn) 低碳鋼含碳量從 ％至 %的碳素鋼，因其強(qiáng)度低、硬度低而軟，故又稱軟鋼。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進(jìn)行冷成形。碳含量很低的低碳鋼硬度很低，切削 加工性不佳，淬火處理可以改善其切削加工性。優(yōu)質(zhì)低碳鋼軋成薄板，制作汽車(chē)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。 低碳鋼由于強(qiáng)度較低，使用受到限制。 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。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。 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。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。 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。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。 在滲硼過(guò)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。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。 3 滲硼 方法 滲硼法有固體滲硼、液體滲硼及氣體滲硼。現(xiàn)在生產(chǎn)上采用的是粉末滲硼和鹽浴滲硼。 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。 粉末滲硼法是固體 滲硼法的一種。如此滲硼后冷至室溫開(kāi)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。 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。 鹽浴滲硼屬于液體滲硼的一種。 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。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。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。 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。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。近年來(lái)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。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)。 實(shí)驗(yàn)中需解決的問(wèn)題 通過(guò)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。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。 （ 2）試驗(yàn)過(guò)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)。 （ 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。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。在此基礎(chǔ)上，我們選擇 20 鋼，尺寸為 70mm Ф12mm。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。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。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。把藥品混合攪拌均勻，這些都是滲硼前必須準(zhǔn)備好的。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)。最后實(shí)驗(yàn) 結(jié)束后，關(guān)掉爐子，取出罐子并空冷。 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(lái)的編號(hào) 7 號(hào)， 7 然后開(kāi)始制作金相試樣。 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。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。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。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(guò)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。 本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械拋光， 在機(jī)械拋光中拋光盤(pán)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，上面鋪以拋光布。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。 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)侵蝕液中具有不同的電勢(shì)，組成眾多的微電池。其原因是拋光鏡面在電化學(xué)侵蝕作用下，變得凹凸不平，從而對(duì)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)。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)。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。不同的材料顯示不同的組織，應(yīng)該選擇合適的侵蝕液。操作時(shí)均應(yīng)使侵蝕液均勻侵蝕樣品表面，侵蝕時(shí)間的長(zhǎng)短，依樣品材料的不同而不同。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。所有試樣都采用上述方法進(jìn)行磨制和侵蝕，備用。然后用 OLMPUSBH2 三目金相顯微鏡對(duì)每個(gè)試樣的滲層、過(guò)渡層和基體進(jìn)行金相照片，記錄好觀測(cè)時(shí)放大倍數(shù)和試樣編號(hào)，保存好照片，記錄好數(shù)據(jù)以備分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整理好實(shí)驗(yàn)儀器。測(cè)定之前， 先準(zhǔn)備好金相 試樣，置于顯微硬度計(jì)的載物臺(tái)上，通過(guò)加負(fù)荷裝置對(duì)四棱錐形的金剛石壓頭加壓。金剛石壓頭壓入試樣后，在試樣表面上產(chǎn)生一個(gè)凹坑。根據(jù)所加負(fù)荷及凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度就可計(jì)算出所測(cè)物質(zhì)的顯微硬度值 ，這個(gè)顯微硬度值表示的是維氏硬度（ HV）。操作硬度計(jì)的過(guò)程中要遵守操作規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整理好實(shí)驗(yàn)儀器 。由于硼化物晶粒呈柱狀聚合成長(zhǎng)，易在基體上形成齒狀滲硼層。滲硼層的相組成一般為單相的 Fe2B 或者是雙相的 FeB 和 Fe2B。硼原子擴(kuò)散進(jìn)人基體后首先形成 Fe2B 相， Fe2B 中 B 的原子分?jǐn)?shù)約為 9%，而 FeB 中 B 則為 16%左右?；钚耘鹪拥亩嗌偃Q于供硼劑、還原劑和溫度 等因素，可以通過(guò)加入不同的還原劑控制硼化物的相結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)所用滲硼劑和滲硼工藝容易獲得單相的 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。 通過(guò)組織分析和硬度測(cè)試，我們知道滲層處由于硼化物的存在，硬度比較高，下表是滲層處的顯微硬度值： 表 2 滲層處的 維氏 顯微硬度 Table2 The microhardness of the boroniding layer 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2 數(shù)據(jù) 3 數(shù)據(jù) 4 數(shù)據(jù) 5 數(shù)據(jù) 6 數(shù)據(jù) 7 平均值 1209 1424 1357 1456 1285 1271 1330 1333 過(guò)渡層組織分析和硬度 The microstructure of the transitional layer（ x200） 過(guò)渡處的顯微組織（ x200） The microstructure of the transitional layer（ x500） 過(guò)渡處的顯微組織（ x500） 11 過(guò)渡層與基體相比，是 一個(gè)增碳區(qū)。另外就是硅在滲硼過(guò)程中也被內(nèi)擠而形成富硅區(qū)。因而緊靠硼化物區(qū)將出現(xiàn)被稱為“黑色組織”的軟帶。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 。 所以基體的特點(diǎn)就是塑性 和韌性好，但強(qiáng)度和硬度低。與罐分離。 硼砂熔點(diǎn)為 742℃ ，在滲 硼 溫度下，易使?jié)B劑結(jié)塊和試樣表面粘結(jié)。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。綜合考慮，選定 2 號(hào)滲劑 13 中硼砂量為 3 個(gè)中最佳， 2 號(hào)滲劑各種配比比較合適。 表 5 不同保溫時(shí)間下的滲層比較 The paration of the boroniding layer under different holding time 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 4 920℃ 6h 74μm 滲硼層連續(xù)，致密性好 5 920℃ 4