基本信息
- 项目名称：
- 45钢经喷丸变形后的硼-铬-稀土低温共渗
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本课题把冷塑性变形和硼-铬-稀土低温共渗结合，低温共渗可以降 低能耗，减少工件变形，而通过冷塑性变形可以增加碳钢硼-铬-稀土低温共渗层的深度，且共渗层硬度基本保持不变脆性降低。分析认为，喷丸变形可使位错等缺陷增加，有利于硼原子的吸收与扩散。本课题的研究在提高化学热处理速度、改善工件深层组织的性能，节能生产成本及提高生产效率等方面具有良好的应用前景，适用于一些形状复杂、对尺寸精度要求较高的工件
- 详细介绍：
- 前言 选题的背影和意义 渗硼的研究和进展 渗硼的概念 渗硼的研究历程 渗硼的方法 渗硼剂组成 研究技术路线 实验方法与工艺流程 渗硼制备 式样制备 渗硼过程 实验样品的制备 渗箱的制作 实验设备与实验方法 实验设备及条件 实验方法 实验结果与分析 喷丸处理对45钢硼-铬-稀土共渗的影响 喷丸对45钢低温共渗层层深的影响 温度对45钢低温共渗层层深的影响 保温时间对45钢低温共渗层层深的影响 共渗时间对45钢低温共渗层层深的影响 共渗层硬度 三钾试剂侵蚀 实验结果分析 喷丸对共渗层深度的影响 喷丸对共渗层组织成分的影响 铬及稀土元素对渗硼的影响 渗硼层疏松的影响因素及产生的机制 结论 谢词 参考文献 摘要 对45钢试样进行喷丸的冷塑性变形。研究了不同工艺条件下喷丸对低碳钢硼-铬-稀土粉末共渗的影响。研究了固体硼-铬-稀土共渗工艺、共渗层成分、组织和性能，并与单一渗硼层进行了比较。本文利用金相显微镜、显微硬度计、扫描电镜等仪器设备对共渗层进行了研究。主要对不同工艺条件下的共渗层的深度、硬度进行测量、计算以及分析，对硼齿的疏密程度进行了观察和分析。结果表明：冷塑性变形可以增加碳钢硼-铬-稀土共渗层的深度，而深层硬度基本保持不变。分析认为，喷丸变形可使位错等缺陷增加，有利于硼原子的吸收与扩散。本课题的研究在提高化学热处理速度、改善工件深层组织的性能，节能生产成本及提高生产效率等方面具有良好的应用前景。 关键词：喷丸；硼-铬-稀土低温共渗；深度；硬度 前言 1.1选题背影和意义 渗硼工艺自诞生至今已有100多年的历史，其中因固体渗硼具有工艺操作方便、使用设备简单、质量易控制等优点，在生产中得到较广泛的应用。但由于目前渗硼处理的温度较高，渗硼处理后零件的变形较大以及深层较薄、深层脆性较大等原因，限制了渗硼技术的推广应用。本课题采用低温固体固体硼-铬-稀土共渗工艺，在保证得到可利用的最大深层的情况下尽量降低温度，使工件变形小，经热处理后的共渗层具有高硬度、高耐磨性、良好的抗腐蚀性和抗高温氧化性等优点，使工件的综合性能得到很大的提高。 随着生产中新型压力加工方法不断出现，如冷挤压，滚压、冷拔、超塑性变形等成型工艺，形变热化学处理得到迅速发展。它以其特别的优势，如加速化学热处理动力学过程，改善深层组织性能，大幅度提高钢铁零件抗磨损、耐疲劳等与表面有关的性能以及节约能源、降低生产成本等，逐步为人民所重视。但是很少见到喷丸处理和固体粉末硼-铬-稀土共渗结合的研究。 本课题采用低温固体硼-铬-稀土共渗工艺，在保证得到可利用的最大渗层的情况下尽量降低温度，使工件变形小，经热处理后的共渗层具有高硬度，高耐磨性，良好的抗腐蚀性和抗高温氧化性等优点，使工件的综合性能得到很大的提高。因此研究对45钢进行不同程度的喷丸处理后，在相变线A1线下进行固体硼-铬-稀土低温共渗具有十分必要和重大的意义。 1.2渗硼的研究进展 1.2.1渗硼的概念 渗硼就是将材料置于含硼介质中，经过加热，靠他们之间的化学或电化学反应，使硼原子渗入材料表层形成硼化物的工艺过程。渗硼层具有很高的硬度、优良的耐磨性及良好的腐蚀性。今年来人们对渗硼工艺及渗硼机理进行了大量的研究，但渗硼工艺仍有其不足之处，如：硼化物本身脆性大，易剥落，传统的渗硼工艺温度高、能耗大，渗硼后工件变形较大等。为了克服这些不足，人们进行了不懈的努力，并取得了一些成就，如：采取渗硼后获得单相Fe2B或渗硼后进行真空扩散而获得单相Fe2B，渗硼的共晶化处理及共渗与复合渗工艺等来降低渗硼层脆性。为了解决渗硼温度高、渗后工件变形大等问题，低温渗硼为人们所关注。 低温渗硼，实际上就是指在钢临界点以下温度的渗硼，特别是在钢回火温度下进行渗硼，不仅能改善渗层性能、降低能耗和减少工件变形，进一步扩大渗硼工艺的应用，而且还能简化工艺，具有明显的经济效益。低温渗硼层通常呈梳齿状，与高温渗硼层不同之处在于其硼化物前沿没有如高温渗硼层那样的晶粒粗大的伪共析或者过共析组织的过渡区，而只有一相对较窄的富碳过渡区。低温渗硼层的耐磨性和耐腐蚀性较高温渗硼层的有所提高，而其脆性却有所降低。 1.2.2渗硼的研究历程 最早的渗硼工艺文献是由莫桑（Moissan）于1985年发表，确定钢肯定可以渗硼。从此在渗硼这个领域里，国内外专家、学者做了大量的工作，使得渗硼得到了极大的、快速的发展，渗硼工艺的发展过程大致可以分成三个阶段： 第一阶段，二十世纪20年代以前。渗硼层性能还未完全为人们认识，且具体的操作工艺上还存在众多的难关，以致渗硼没有什么实际应用。在该阶段渗硼工艺发展缓慢。 第二阶段，二十世纪20年代----60年代。由于一些新的渗硼剂的发明和固体法渗硼取得了一定的发展，工艺上已能够确保获得所需的渗硼层深度。但是，由于固体渗硼成本很高，所需处理温度高、时间长等因素使液体渗硼的研究和应用超过了固体渗硼。在该阶段固体渗硼仍处于停滞状态。 第三阶段，二十世纪60年代至今。液体渗硼时，渗硼溶液强烈腐蚀坩埚，并使零件的表面粘附一层难熔的壳不易清除。至于气体渗硼，三氯化硼（BC13）和乙硼烷（BZH6）很昂贵，有剧毒，且用BZ作载体时有可能发生爆炸。因此，在这一阶段人们对固体渗硼越来越感兴趣，并给于了更大的重视。 1.3渗硼的方法 渗硼的方法主要按渗硼剂的存在形态分类，主要分为气体渗硼，液体渗硼和固体渗硼三类 液体渗硼 气体渗硼和气体渗碳、气体渗氮类似，将渗硼气体通入炉内，同时将炉子加热到渗硼温度，使炉气在工件表面发生分解，进而通过物理化学的吸附，扩散而形成硼化物。气体渗硼的渗层均匀、致密，表面质量好，工件渗后无须清理。另外气体介质活泼，可以在较低温度下实现渗硼，渗速也快。但所用气体的制备、保存困难、价格昂贵，有剧毒、且有爆炸性，目前尚难以被工业生产所采用，基本上处于实验室阶段。 液体渗硼 液体渗硼包括电解渗硼和盐浴渗硼。电解渗硼：工件在熔融状态的硼砂浴中作为负极，通电进行渗硼。此方法效率高，可以较低温度下渗硼，渗硼剂便宜，渗层深度易于控制，但只是用于形状简单的零件，对形状复杂的零件，因各部分电流密度不同，会使渗硼层厚度不均。另外熔融硼砂对坩埚腐蚀严重，坩埚寿命较短。如果坩埚材料中的元素溶于盐浴中，则会影响盐浴渗硼剂的活性，使渗速下降；盐浴渗硼是国内应用较多的一种渗硼法，盐浴渗硼设备简单，操作方便，渗层组织容易控制，而且能处理形状复杂的零件。但盐浴的活性差，工件清洗困难，坩埚寿命短，在大量生产中盐浴温度的均匀性，盐浴成分的均匀性均难保证。 （3）固体渗硼 由于我们用的是固体渗硼，所以这里主要介绍固体渗硼，固体渗硼主要包括粉末渗硼、粒状渗硼、和膏剂渗硼。固体渗硼处理不需要专门的设备，操作方便，渗后容易清理，适用性强，便于推广；但拆装箱劳动强度大，工作条件差，渗剂成本高，对工件进行处理时，渗剂必须填满渗箱，渗剂浪费严重。另外渗剂介质热导性差，故加热时间长、耗能高，功效低，渗后工件不易取出。粉末渗硼剂在处理工件时，易形成对工件表面的粘结，影响工件表面的质量，同时处理完工件后，渗剂易结块，影响渗剂的重复使用。粒状渗硼剂克服了粉末渗硼剂的不足，所处理工件的表面光洁，渗剂松散，还可以重复使用。膏剂渗硼是固体粉末渗硼的 发展，其最大特点是能方便的实现局部渗硼，渗剂消耗小，加热时间短，效率较高。 1.4 渗硼剂组成 同固体渗硼一样固体渗硼剂也包括粉末渗硼剂、粒状渗硼剂和膏剂渗硼剂，而粒状渗硼剂和膏剂渗硼剂是在粉末渗硼剂的基础上再加入粘结剂分别制成粒状和膏状。因此固体渗硼剂一般由供硼剂、活化剂、填充剂、还原剂、粘结剂组成。 （1）供硼剂 供硼剂是渗硼剂中提供活性硼原子的组分。主要供硼剂有：非晶质硼（B）、碳化硼（BC）、硼铁合金（Fe---B）、硼配（B2O3）、无水硼砂（Na2B4O7）等 （2）活化剂 活化剂在渗硼过程中，与供硼剂进行化学反应，产生气态化合物，促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。主要有：氟硼酸盐（KBF4、NaBF4、LIBF4）,氟化物（KF、NaF、AIF3、CaF2等），碳酸盐（（NH4）2CO3、NH4HCO3、Na2CO3等），氯化铵（NH4Cl），冰晶石（Na3AIF6或Na2SIF6）等。 （3）填充剂 填充剂是渗硼剂中的载体，可调节硼势，防止烧结，它还可以减少供硼剂和活化剂用量，并使渗硼件和渗剂均匀接触，保证渗硼层的均匀性。填充剂主要有碳化硅（绿色SIC），碳（木炭、石墨、活性炭）三氧化二铝（Al2O3）等 （4）还原剂 还原剂是在渗硼过程中与高价硼反应，生成低价硼或活性硼原子的组分。以硼砂为供硼剂的固体渗硼剂需要加适量的还原剂。还原剂主要有：Si.、Ca、Al、Mg、RE及其合金。 （5）粘结剂 粘结剂是使渗硼剂制成粒状和膏状所需的粘结成分。主要粘结剂有：硅酸乙酯水溶液、聚乙烯水溶液、松香酒精溶液、文具胶水、梭甲基纤维素水溶液等。 1．5研究技术路线 通过研究中碳钢在相变点以下温度进行低温硼-铬-稀土共渗，观察不同热处理工艺参数下的共渗层层深、组织、硬度、等变化情况，证实在相变点以下低温硼-铬-稀土共渗的可行性，并观察冷塑性变形造成的缺陷对共渗层的影响，在证实研究的基础上做一些理论性探索。探讨低温下喷丸时间与共渗层层深的关系，进而探讨在低温下形变硼-铬-稀土共渗工艺的应用范围。 由于实验在相变线以下温度进行，钢的溶碳能力小，同样溶硼的能力也会降低，渗层会比高温渗层浅，但低温共渗的优点也是不容忽视的，如：工件变形小，渗层脆性小等优点。同时室温形变有利于渗层的增加，对改善渗层的性能有很大的作用。本课题将探讨室温塑性变形与低温硼-铬-稀土共渗的关系，研究相变线下不同温度的共渗工艺，并探讨冷塑性变形与共渗层组织形貌和性能的关系。通过观察结合不同的工艺处理（热处理温度、时间、喷丸时间）来研究共渗层深的变化情况。 本课题探讨找寻一种可以降低温度，节约能源，增加渗层深度和速度的方法。抑制FeB相生长，有利于Fe2B相形成，且Fe2B组织致密，脆性低，渗剂成本低，把渗前工件的冷塑性变形与硼-铬-稀土共渗结合起来的共渗工艺。并且在相变线以下进行低温渗硼，降低生产成本，节约能源。 2．试验方法和实验方案 2.1 渗剂制备 所用的共渗剂是粉末状硼-铬-稀土共渗剂，共渗剂由高碳铬铁、工业硼砂、稀土、硅钙合金、NH4Cl、尿素、石墨、水玻璃等为主要成分。各成分含量为： 高碳铬铁含量：6.18% 硼砂及NH4Cl含量：Na2B4O7 25%×92.78%,NH4Cl 1.04%2.78% 稀土含量：6%×92.78% 硅钙合金含量：12%×92.7% 氟硅酸钠含量：17%×92.78% 尿素含量：2%×92.78% 石墨含量：38%×92.78% 水玻璃 2.2 试样制备 2.2.1 渗硼过程 将10×10×12mm的喷丸后的45钢试样对其表面进行热处理，然后分别与渗剂装罐，试样与渗剂装罐时，先在罐底铺约15mm厚的渗硼剂，试样埋入渗剂的中央，试样与罐壁之间留有10—20的距离，靠近盖子一侧渗剂要盖厚一些，不少于20mm厚，加盖密封。渗罐装入井式电炉内随炉升温（我们主要用650℃和700℃），至预定温度后保温一定时间取出，空冷，冷却至室温后取出试样，将其表面清理干净。 首先加工试样，对其进行表面热处理，后配置试剂，将试样预渗剂装罐。选自合适的渗硼工艺参数，将渗罐装炉。然后控制渗硼工艺参数，对其加热。最后渗罐出炉、冷却 ，取出试样。 2.2.2 试验样品的制备 将渗硼完成后的样品表面打磨抛光后，用4%的硝酸酒精（2ml硝酸+48ml酒精）溶液的金相腐蚀剂对其表面进行腐蚀，然后用酒精清洗，吹干。 2.2.3渗箱的制作 本实验采用自制渗箱。他是用直径为130mm的钢片和直径为100mm（外110mm）的钢筒焊接而成，内直径为95mm的钢片，外盖直径为100mm的钢片。渗箱具有内外盖以便于共渗时用双层水玻璃泥密封。 2.3实验设备与试验方法 2.3.1 实验设备及条件 1.HV1000型显微硬度计，主要用来测量渗层硬度，其主要技术参数见表2.1. 表2.1 HV1000型显微硬度计主要技术参数 实验力（N） 0.098, 0.246, 049, 098, 1.96, 2.94, 4.90, 9.80,, 实验力施加方式 自动加卸实验力 测量显微镜放大倍数 100×（观察时） 400×（观察时） 实验力保持时间 5---60s（每5s为一个单位） 测微鼓轮最大分度值 0.5um 试件最大高度 65mm 试件最大宽度 85mm 主要重量 约25Kg 电源 AC200V/50Hz 外型尺寸（长×宽×高） 405×290×480（mm） 2.箱式电阻炉，用来对实验进行不同的热处理温度，其主要技术参数见表2.2. 表2.2 .箱式电阻炉主要技术参数 型号 SX2—12—16 额定功率 12Kw 额定电压 380V 稳定温度 1650℃ 相数 1相 炉膛尺寸 400×200×160（um） 外型尺寸 1100×970×1660(mm) 最大电流 200A 最大电压 380V JSM-6380LA扫描电镜，用来观察深层的组织形态,其主要技术参数见表2.3. 表2.3 JSM-6380LA扫描电镜主要技术参数 型号 JSM-6380LA 样品座最大尺寸 直径32mm×10mm 加速电压 0.5Kv---30Kv 二次电子图像分辨率 HV mode： 3.0nm（30Kv），20nm（1Kv.） LV mode： 4.0nm （30Kv） 背散射电子图像 形貌像或成分像 放大倍数 ×8 ×300000 2.3.2 实验方法 （1）喷丸处理 喷丸是将钢丸以压缩空气喷出或离心式喷丸机借离心力甩到金属表面，利用钢丸对金属表面的冲击作用使得零件表面硬化，其主要目的是为了去除表面氧化层和强化表面。钢丸冲击金属表面有两个方面的影响;一是使零件表面生成一定深度的硬化层，提高其表面硬度，增加零件表面抵抗断裂的能力，并使表层产生压应力，提高其疲劳强度；二是使得零件表面上由于机械加工所带来的损伤减少，从而降低应力集中。由以上解释可以知，喷丸处理同样可以使得试样表面产生塑性变形区域，该区域存在有空位、错位等晶体缺陷。 (2) 渗层厚度的测量 在光学显微镜下用峰谷平均法测量渗硼层的厚度，每一个试样测量10个齿峰值x和10个齿谷值y，再分别求出其平均值X和Y 并代入经验公式（2-1）中，求出深层厚度的有效值L，测量渗硼层齿峰值、齿谷值示意图如图2.2所示 L=X+Y/2 渗层硬度的测量 本实验利用HV—1000型显微硬度计和HX—1000型显微硬度计对45钢共渗层的显微硬度进行测试。显微硬度计荷载分别是0.245N（HV--1000）与25gf（HX----1000），保荷时间均为10sec。选择在共渗层被选区域进行硬度测试，显微硬度压痕应在共渗层沿硼齿生长方向成两排排列，测量时应注意压痕之间应有一定的距离，以保证测试结果的准确性。在读数的时候，应注意显微硬度计由于荷载不同而导致的读数不同。 3. 实验结果与分析 3.1 喷丸处理对45钢硼—铬—稀土共渗的影响 45钢经喷丸处理，因形变在试样中引入的位错结构对渗硼层的形成和生长的影响得到解释，随变形量进一步增加，位错胞被拉长，胞壁中位错密度增大，与未变形试样比，形变试样表面因含有大量位错而使表面活化，从而加速了渗硼初期表面对硼原子的吸附过程，进入试样表层的硼原子或刚刚析出的硼化物小颗粒对形变组织的恢复或再结晶将起到阻碍作用，使其延迟或不能进行，从而加速了渗硼层的形成和生长。共渗后，硬度较无塑性变形情况下稍有提高，保持了较高的硬度，同时脆性变化也不很大，共渗层的性能得到提高。 本章利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、显微硬度计（HV--1000）、系统表征了不同冷塑性变形量（喷丸时间）对45钢硼—铬—稀土共渗后的共渗层深度及显微硬度的影响。重点探讨了在不同的化学热处理工艺条件下，喷丸时间对45钢共渗层深度的影响，分析了喷丸与共渗层深度之间的关系。通过与未变形试样的各项性能测试的对比，研究了冷变形对45钢共渗层硬度及深度的影响。 喷丸对45型钢低温共渗层层深的影响 喷丸后的渗层厚度比未喷丸的深层厚度明显增加，例如表3.1所示采用650℃×6h工艺后，喷丸0.5小时试样较未变形试样共渗层层深增加1um，喷丸1小时试样较未变形试样共渗层层深增加3um，喷丸1.5小时试样较未变形试样共渗层层深增加5um。 表3.1喷丸处理对45型钢低温共渗层层深的影响（um） 不同工艺下的45钢喷丸深层厚度 0h 0.5h 1h 1.5h 650℃×4h 5 6 7 8 650℃×6h 7 8 10 12 650℃×8h 8 11 15 18 700℃×4h 18 20 24 26 700℃×6h 23 27 30 33 700℃×8h 28 31 34 39 在硼化物形成过程中，FeB和Fe2B都不溶解碳，必然将碳向内部排挤，被排挤的碳，一方面就近形成Fe3（C,B），另一方面则通过远程扩散挤向内层，在硼化物前沿的基体上形成富碳的过渡区。在高温渗硼时，这两种趋向都存在。而在低温渗硼的时候，碳在铁素体中的扩散激活能增大，扩散系数降低，使碳难以进行远程扩散，仅能聚集在硼化物的周围。当排挤的碳达到一定的浓度，使形成Fe3（C,B）。 采用700℃×6h工艺后，如图3.1所示，喷丸0.5小时试样较未变形试样共渗层层深增加4um，喷丸1小时试样较未变形试样共渗层层深增加7um，喷丸1.5小时试样较未变形试样共渗层层深增加10um. 采用700℃×8h工艺后，如图3.2所示，喷丸0.5小时试样较未变形试样共渗层层深增加3um，喷丸1小时试样较未变形试样共渗层层深增加6um，喷丸1.5小时试样较未变形试样共渗层层深增加11um。 温度对45钢低温共渗层层深的影响 .如图3.3可知，700℃×8h喷丸1.5小时比650℃×8h喷丸1.5小时的共渗层层深增加21um，可见温度对其层深的影响还是很大的。 保温时间对45钢低温共渗层层深的影响 结合表3.1可知，700℃×4h，700℃×6h，700℃×8h的共渗层的层深分别是26um，33um，39um。随着时间的增加，渗层层深逐渐增加而且比较明显，说明时间对其的影响还是比较显著的。 共渗层硬度 使用HV—1000型显微硬度计对45钢共渗层至基体的显微硬度进行测试，与未喷丸试样相比，喷丸试样的显微硬度值在多处基本重合，说明45钢喷丸后试样的显微硬度没有发生太大的变化。喷丸时间对共渗层硬度影响不大，也就是说喷丸后试样的共渗层显微硬度变化不大，硬度值基本不随喷丸时间的变化而变化，保持了硼-铬-稀土共渗层的高硬度的特点。在靠近表层附近，由于共渗层表面疏松的存在，硬度值较共渗层低，但是表层的显微硬度基本上保持1400—1600HV0.025.。分析认为，越靠近45钢基体，显微硬度基本保持1400—1600HV0.025.，为Fe2B相的硬度，并且在硬度梯度曲线上占绝大多数，45钢喷丸处理后的共渗层基本为Fe2B相。喷丸处理后的45钢表层是由无数个小的冷作压坑组成，压坑周围必然有大量的位错等晶体缺陷产生，这些缺陷对共渗时活性硼原子的动力学影响显著，增加了硼原子的吸附，并且降低了其扩散激活能，因而使得共渗速度提高。经过喷丸处理的45 钢与未喷丸的试样的硼齿平直、细长，没有使共渗层的组织发生改变，仍然保持了未喷丸前的共渗层再组织，故而喷丸后的共渗层仍然保持了硼-铬-稀土共渗时的硬度。在同种工艺条件下，喷丸处理对共渗层硬度没有影响，也既冷塑性变形在提高了45钢共渗速度，增加了共渗层深度的同时没有造成45钢共渗层硬度降低，仍保持了为塑性变形前的硬度。 三钾试剂侵蚀 与单一渗硼层相比，共渗层保持由单一渗硼层的组织特征，且共渗层较为致密，表面疏松较轻，硼齿细长、平直；单相Fe2B的硼化物有很多的优点，如：较低的脆性，基体材料可以随后进行热处理而不降低共渗层的结合强度和性能，因此我们希望得到单一渗硼层。经过三钾试剂侵蚀后的共渗层观察表明，共渗层基本由Fe2B单相组成，未发现深褐色的FeB相。共渗层过渡区珠光体含量较多，这主要是因为在相同处理条件下共渗试样的渗层厚，由于碳原子不溶于硼化物中，因此在渗层形成过程中，表层的碳原子被推移到硼齿与集体结合的部位，在此区形成富碳区。 硼铬稀土共渗时，有共渗剂在共渗温度下分解产生高活性，高浓度的硼原子被45钢试样表面所吸附，往往优先在晶界等缺陷存在的区域由于偏聚而形核。活性硼原子由偏聚区通过扩散的方式扩散进入内部组织，周围共渗气氛不断提供大量活性硼原子，从而形成了较高浓度的浓度梯度，产生大的驱动力使硼原子向基体扩散，当硼元素达到浓度8.8wt%时则生成Fe2B晶核，进而形成共渗层。 实验结果分析 喷丸对共渗层深度的影响 在各种化学热处理形成硬化表层后进行表面形变（滚压、喷丸等），然后低温回火（时效）以促进析出碳氮化合物并消除残余内应力。或在化学热处理之后进行表面热处理（如感应加热表面淬火）及表面形变处理，然后进行时效。这些处理工艺均能够进一步提高零件的耐磨性及疲劳抗力，有效延长了零件的使用寿命。喷丸是将钢丸以压缩空气喷出或离心式喷丸机借离心力甩到金属表面，利用钢丸对金属表面的冲击作用使得零件表面硬化，其主要目的是为了去除表层氧化膜和强化表面。喷丸冲击金属表面主要有两个影响：一是使得零件表面生成一定深度的硬化层，提高其表面硬度，增加零件表面抵抗断裂的能力，并使表层产生压应力，提高其疲劳强度；二是使得零件表面上由于机械加工所带来的损伤减少，从而降低应力集中。由以上解释可知，喷丸处理同样可以使得试样表面产生塑性变形区域，该区域存在有空位、位错等晶体缺陷。喷丸可在一定程度上增加深层厚度；并且喷丸可以增加齿状度，改善了深层的性能，增加了硼齿和基体的结合力。 分析认为，相变产生大量位错，为硼原子的扩散提供了有利的条件，并且随变形量的增加，试样表层的位错密度也增加，加快了B原子的扩散。对45钢表面用0.8---2.0um的铸钢球进行喷丸后，在试样表面塑性形变区域（硬化层）产生大量空位、位错等晶体缺陷。经喷丸产生的这些晶体缺陷对随后进行的共渗是有利的。在共渗时，活性硼原子沿着位错等缺陷进行扩散时，硼原子的跃迁频率要大，所需的激活能远小于未变形的扩散激活能。硼原子沿着这些区域更容易进行扩散，也更容易使得硼原子偏聚，一旦该区域满足成分起伏，则很容易就形成硼化物晶核。共渗时，试样表层硼原子浓度因位错等缺陷浓度增大而处于高能量状态，因而被吸附的硼原子的量也逐渐增加，硼化物的形核几率也增大。形成的硼化物晶核对位错等缺陷的移动又能起到“钉扎”作用，阻碍形变区域组织的恢复和再结晶，使其延迟或不能进行。这样渗速就会加快。随着喷丸时间的延长，试样表层的硬化层也不断增加，也就意味着位错密度增加，系统中的能量明显增加，硼原子在晶体中的吸附和扩散速度会加快。在同等工艺条件下，随着喷丸时间的增加，试样表面的能量和位错的密度逐渐增加，导致硼原子的吸收与扩散增大。这就是喷丸1.5小时的渗层更深的原因。 3.2.2 喷丸对共渗层组织的影响 由图3.5（a）（b）可以看出，共渗层基本由Fe2B单相组成，对渗硼时发生的反应研究的还很不够，以下反应都是可能存在的，但哪一些是决定硼势的关键反应，目前还不清楚。对于固体渗硼 12MCl+B4C→2B4Cl6+12M+C (3---1) B2Cl6+4Fe→2BCl3+4Fe→2Fe3B+3Cl2 (3---2) B2Cl6+2Fe→2BCl3+2Fe→2FeB+3Cl2 (3----3) 渗硼生成的两种化合物都是稳定的化合物。研究表明，FeB含16.23%B，熔点1550℃；Fe2B含8.83%B，熔点1389℃；FeB属于正交点阵，其膨胀系数在200---600℃间为8.4×10-8K-1，理论密度为6.75g/cm3;；Fe2B.具有正方点阵，膨胀系数在200---600℃间为2.9×10-8K-1,理论密度为7.43g/cm3。 渗硼层的组织包括化合物层和扩散层，化合物层又包括上述两种化合物或其中的一种。形成FeB/Fe2B两相渗层是不很理想的，这不仅因为FeB相很脆，还因为两相源于不同比容和线性膨胀系数而存在的极大内应力，使之极容易出现两相间的裂纹。 分析公式（3-2）和公式（3--3），形成FeB比Fe2B相需要更高的硼势。从喷丸处理对低碳钢硼—铬-稀土共渗的影响的实质来分析，喷丸后的试样，由于有大量的位错，而硼沿着位错和晶界扩散的速率远超过硼在 中的扩散速度，因此硼向内部扩散速率增加，表面吸附的硼含量难以达到FeB相的形核浓度，这就减少了硼化物层中FeB相的量。 铬及稀土元素对渗硼的影响 稀土和铬的加入并不改变渗层的基本形貌。但是由于稀土和铬的加入使得渗层最外层疏松减轻，硼化物层更致密，尤其是稀土的作用更为明显，并且加了稀土后的硼化物硼齿变长了，硼化物齿长得规则、整齐、长短较均匀；硼化物硼齿间的组织更少，硼齿更为致密，这是因为稀土的加入，在渗层生长的过程中增加了硼化物的形核率和改善了硼原子扩散条件的缘故。加稀土渗硼可降低渗硼层的脆性，其原因，一是稀土利于形成Fe2B相可占据由于扩散而产生的空位，减少松散；而稀土原子与晶界处杂质形成稳定的化合物，净化了晶界，降低了渗硼层的脆性，抑制了裂纹的萌生及扩展。如资料介绍，45钢860℃渗硼后直接淬火、200℃回火时，加入10%的稀土可比不加稀土的冲击韧度提高2到3倍，微量稀土元素和铬元素可以使硼化物组织更加致密，硼齿细长平直，这主要是由于稀土元素具有较高的电负性及独特的4f结构，在共渗过程中，稀土元素首先吸附在工件表面晶界处，因为此处的能量高，并在此处形成稀土的化合物。另外稀土原子的半径较大，使得表面晶格发生较大畸变，为硼原子的深入起到开路先锋的作用，渗速更快。同时，由于在表面存在稀土化合物，硼化物的形核较多，则可使得硼化物晶粒细小硼齿致密，一旦致密的硼化物形成之后，稀土原子由于半径大而只能由硼化物的晶界扩散到基体因此共渗层中晶界与硼齿处稀土含量可以通过置换扩散的形式向基体扩散，使得铬元素在集体中含量是均匀的，在渗硼层，表面杂质化合物被形成的硼化物所吞噬，并被挤压成条状，形成硼化物的晶间组织。45钢表面的硼化物层有三部分组成，由表及里分别是疏松层，致密层，硼齿层。有疲劳过程可知，切应力是造成局部不均匀滑移和产生疲劳核心裂纹的动力。由于渗硼层的弹性模量大大高于基体，在滚滑摩擦条件下，集体的微弹性变形在垂直柱状晶方向所产生的交变切应力可使渗硼层应力集中，并随着基体弹塑性变形的积累和扩展，渗硼层表层的疏松，产生疲劳裂纹和浅层剥落；实际上由于滑动摩擦力的存在，使最大切应力移至表层，而表层疏松又会使得抗强度明显下降，尤其是单一渗层，在渗硼层表层疏松和低强度的齿间组织处则成为疲劳裂纹源的萌生地。因此，稀土和铬元素的渗入使得渗硼层组织致密，表层疏松较轻，只是渗层疲劳磨损性能得以提高的原因。 3.2.4渗硼层疏松的影响因素以及产生机制 45钢经渗硼后，渗层表层一般都不同程度存在疏松孔洞，这些渗硼孔洞对渗硼件机械性能影响说法不一，，大多数文献认为，疏松孔洞使得渗层脆性增加，耐磨性下降，同时也是裂纹萌生和扩展导致龟裂、剥落失效的一种潜在威胁，随渗硼温度升高，渗后疏松加重，而渗硼时间影响不如温度影像那么重，孔洞分布在渗层表层区域，深度少则几微米，多则几十微米，近表层处孔洞较密集，甚至连成一片，由表及里，孔洞减少，在表层区域斑点或椭球状、块状孔洞较多，稍内区域有一些沿硼针生长方向呈长条状孔洞，在疏松区域内常看见一些微裂纹和沿尖角扩展相连的复合孔。关于疏松孔洞形成机制主要有以下观点： 空位迁移机制，钢中存在一定量的空位，渗层生长时，空位被驱赶而在一定地方聚集。 体积效应机制，认为固液双相比容不同造成一些孔洞。 硅空位机制，因硼化物不溶于硅，渗硼过程中硅元素向内部扩散，而硅元素扩散是按空位方式进行的，故使得空位向表层流动，在表层聚集形成孔核。 综上可以认为，渗硼疏松是空位迁移，硅扩散，渗剂气氛原子渗入共同作用的结果，故尽可能降低渗硼温度采用含硅低的钢材或研究渗硼专用钢材，研制低疏松的渗硼剂。 参考文献 [1] 孙希泰，李木森。固体渗硼的发展概况[J]。金属热处理，1995（6）：5-7 [2] Chen S L.Daniel S,Zhang F,et al. On the calculation of multicompoent stable phase diagrams[J].Journal of phase Equilibria，2001，22（4）：373—378 [3]李合非，硼铬稀土共渗技术应用基础研究[D硕士学位论文。泰安：山东农业大学，2002：1—2 [4] 王泾文。预变性对碳钢渗硼组织的影响[J]安徽机电学院学报，2000，15（3）：6—9 [5]王利捷，张翔，张俊。室温形变对渗硼的影响[J]西安公路学院学报，1995，15（2）：98—99 [6]许斌，冯成明，聂成芳。45钢渗硼层的脆性对其耐磨性的影响[J]，摩擦学学报，1999，19（4）：354—357 [7]李木森，傅绍丽，等Fe2B相价电子结构及其本质脆性[J]金属学报，1995，31（5）：A201—A207 [8]何力，刘克家，等。渗硼层Fe2B生长早期的结构特点[J]。现代机械，1997，（1）：33-35 [9] 许斌，宋月鹏，冯成明。微量稀土元素和铬元素对渗硼层疲劳磨损特性的影响[J]。金属热处理. 2000，6：8—10 [10] 程先华，谢超英。稀土元素在岗的化学热处理中作用机理研究[J]。中国稀土报1994，12（4）：336--339， [11] 冯成明，许斌，华磊。渗硼过程的稀土催渗与共渗研究进展[J]。金属热处理，1995，（6）：3--5 [12] Hhunger H J,Gtrure. Boronizing to produce wear-resistant surface layers[J]。Heat Treatment Metals,1994，（2）：31--39 [13] C-H Xu.J-K Xi..W.Gao. 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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：本课题为增大固体硼-铬-稀土共渗工艺的应用范围，探寻一种降低工艺温度、节约能源、提高共渗速度的最佳工艺，能够抑制FeB相生长，有利于Fe2B单相形成， 因为Fe2B组织致密，脆性较低。渗剂成本低，把渗前工件的冷塑性变形与硼-铬-稀土共渗结合起来，能够得到有价值的共渗层，并且在相变线以下进行低温渗硼，减小工件变形，降低了生产成本，节约能源。 创 新 点：1、在保证得到可利用的最大渗层的情况 下尽量降低温度，在相变线温度以下 共渗，使工件变形小。预期室温形变 对低温渗硼有促进作用。 2、喷丸试样随喷丸时间的延长渗层的深 度不断增加，喷丸1.5 小时的试样 比未喷丸的试样层深大约也增加了一 倍。 技术关键：1、相变点以下低温硼-铬-稀土共渗的可 行性。 2、喷丸造成的缺陷对共渗层的影响。 3、低温下冷塑性变形量（不同喷丸时 间）与共渗层层深的关系以及经冷 塑性变形后硼-铬-稀土共渗层的组 织脆性变化。 技术指标：650℃×8h，45钢渗层不小于20 um，硬 度不低于1500HV 工艺参数：650℃×4h，650℃×6h，650℃×8h
科学性、先进性
- 本课题为增大固体硼-铬-稀土共渗工艺的应用范围，探寻一种降低工艺温度、节约能源、提高共渗速度的最佳工艺，能够抑制FeB相生长，有利于Fe2B单相形成， 因为Fe2B组织致密，脆性较低。渗剂成本低，把渗前工件的冷塑性变形与硼-铬-稀土共渗结合起来，能够得到有价值的共渗层，并且在相变线以下进行低温渗硼，减小工件变形，降低了生产成本，节约能源。
获奖情况及鉴定结果
- 2007年《金属热处理》（第32卷 总第358期）发表文章《冷塑性变形对45钢硼铬稀土共渗的影响》 2008年《热加工工艺》（第37卷 总第256期）发表文章《低温固体渗硼工艺的研究现状及展望》 2009年参加的第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛上海世博会专项竞赛荣获国家三等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本课题把冷塑性变形和硼-铬-稀土低温共渗结合，低温共渗可以降低能耗，减少工件变形，而通过冷塑性变形可以增加碳钢硼-铬-稀土低温共渗层的深度，且共渗层硬度基本保持不变，脆性降低。分析认为，喷丸变形可使位错等缺陷增加，有利于硼原子的吸收与扩散。本课题的研究在提高化学热处理速度、改善工件深层组织的性能，节能生产成本及提高生产效率等方面具有良好的应用前景，适用于一些形状复杂、对尺寸精度要求较高的工件
同类课题研究水平概述
- 固体渗硼不存在气体法和液体法的缺点，发展迅速。但是限制固体渗硼应用的最大障碍是渗硼层浅、脆性较高。为克服固体渗硼的弱点，采用以渗硼为主的硼－铬－稀土共渗工艺。硼－铬－稀土共渗技术是在固体粉末渗硼的基础上，以Na2B4O7（或者B-Fe）、RE、Na2SiF6、Cr-Fe合金、Si-Ca合金、NH4Cl、石墨及尿素等为主要成分，在工件表面渗入以B为主的B、Cr、RE等元素的表面改性技术，钢铁零件经共渗处理后的共渗层一般以Fe2B相或者由双相FeB＋Fe2B相组成。零件经过共渗处理后的表面硬度为HV1300-2100，具有较高的耐磨性、红硬性和耐腐蚀性能与抗氧化性。 固体粉末硼－铬－稀土共渗工艺与单一渗硼工艺相比，共渗层基本保持了单一渗硼层的组织形貌，不同的是，共渗层深，硼齿细密、直长，特别是表层疏松较轻，而单一渗硼层表层孔洞圆而大。经共渗后形成的渗硼层具有更高的硬度、低的脆性和优良的耐磨性和抗高温氧化性，从而使零件具有更好的力学性能。 采用形变热处理工艺，将压力加工(锻、轧、挤、压等)和热处理工艺有效的结合起来,可同时发挥形变强化与热处理强化的作用，以获得单一的强化方法所不能得到的综合力学性能。形变热处理工艺可省去热处理时的重新高温加热，从而节省大量能耗，减少材料的氧化和脱碳、变形。 采用低温固体硼-铬-稀土共渗工艺，在保证得到可利用的最大渗层的情况下尽量降低温度，使工件变形小，经热处理后的共渗层具有高硬度、高耐磨性、良好的抗腐蚀性和抗高温氧化性等优点，使工件的综合性能得到很大的提高。因此研究对45钢进行不同程度的喷丸处理后，在相变线A1线下进行固体硼-铬-稀土低温共渗具有十分必要和重大的意义。
