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淬火和表面冷变形对低中碳钢硼—铬—稀土低温共渗的影响

蔡玉成  
【摘要】:渗硼作为表面强化的一种工艺被广泛应用在模具制作、石油化工、煤炭开采、农用机械零部件的加工制造。渗硼可有效提高工件的使用寿命,降低生产成本。但是,常规渗硼是在较高温度下进行的(850℃),这会在一定程度上造成工件变形过大,同时渗硼层脆性大,使渗硼技术的应用受到了限制。低温(A1线以下)渗硼,可以有效减小渗硼处理中工件变形过大的情况,同时能够降低渗硼层的脆性和能源的消耗,从而使渗硼技术应用范围更加广泛。 低温下,共渗剂产生的硼原子活性较低,在材料表面的吸附和扩散受到限制,因此渗速较慢。研究表明,稀土元素、铬原子的加入能有效提高渗硼速度和共渗层的组织性能。同时通过对试样的预处理,在试样表面产生大量的空位、位错、孪晶等缺陷,一方面能够增加活性硼原子在表面的吸附;另一方面这些缺陷会在晶粒内部造成畸变,使活性硼原子在表面的渗入有了更多的途径,提高了共渗层的厚度及组织性能。 本实验对低中碳钢进行淬火和表面冷变形两种预处理,淬火保温时间为20mmin、30min、40min;表面冷变形采用快速多重旋转碾压(Fast Multiple Rotation Rolling,简称FMRR),处理时间为30min、45min、60min。在570℃、600℃、650℃温度下进行硼-铬-稀土共渗。利用光学显微镜、显微硬度计、扫描电镜、透射电镜等方法对预处理试样以及共渗层厚度、组织形貌、硬度等进行了测定,进而分析这两种预处理方式对硼-铬-稀土低温共渗层的影响。 20钢保温30mmin淬火后在600℃、650℃,保温6h的条件下,分别得到了201μm、271μm厚的硼-铬-稀土共渗层,相对于未处理得到的11μm、17μm共渗层厚度,共渗速度分别提高了81.8%、58.8%;45钢保温30min淬火后在60℃、650℃,保温6h条件下,得到了19μm、26pm厚的共渗层,相对于未处理得到的10μm、16pm共渗层厚度,共渗速度分别提高了90%、62.5%。从共渗层厚度增加上来看,淬火处理对共渗层厚度增加有明显的促进作用。对20钢和45钢淬火后的低温硼-铬-稀土共渗层的硬度和组织形貌进行了测试观察,发现淬火后得到的共渗层硬度与未处理后得到的共渗层硬度差别不大,共渗层都是高硬度的硼化物相。由于硬度值最高都没有超过1800HV,说明共渗层中得到的硼化物物相为Fe2B。观察不同保温时间得到的共渗层形貌组织,保温30mmin时得到的共渗层组织最好。 对FMRR处理后的20钢、45钢进行硼-铬-稀土低温共渗实验。20钢处理60min后在600℃、650℃,保温6h的条件下,得到了20μm、26μm厚的共渗层,相对于未处理得到的11μm、17μm共渗层,共渗速度分别提高了81.8%、52.9%;45钢处理60mmin后在60012、650℃,保温6h的条件下,得到了18μm、25μm厚的共渗层,相对于未处理得到的16pm共渗层厚度,共渗速度分别提高了80%、56.3%,可见FMRR处理能有效增加共渗层厚度。对处理后硼-铬-稀土共渗层的硬度进行测试,发现处理前后共渗层的硬度基本没有发生改变,硬度值在1300HV-1600HV之间,保持了共渗层高硬度的特点。对比不同处理时间得到共渗层厚度,发现处理时间越长,得到的共渗层越厚,致密度也越好。 利用透射电镜对FMRR处理后的20钢和45钢进行测试,发现处理后的试样表面存在大量的位错和细小的晶粒。 根据菲克第二定律对20钢、45钢FMRR处理后硼-铬-稀土共渗过程中活性硼原子的扩散激活能进行计算。结果显示:处理后活性硼原子扩散激活能最大降低了8678.87J·mol-1、10840.04J·mol-1。表明20钢、45刚经过处理后,由于材料表面出现大量细化的晶粒和高密度的位错,增加了表面吸附的硼原子数量和扩散途径,显著提高了低温下硼-铬-稀土共渗的速度。 综上所述,淬火和表面冷变形处理在低温下能够显著增加共渗层厚度,提高共渗速度。从而扩大渗硼技术在工业生产上的应用,同时提供一定的技术支持。


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