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硼—铬—稀土低温共渗剂的研制

郭仁红  
【摘要】: 渗硼在高温(850℃~950℃)下进行,易使工件变形,所得渗层脆性大、易剥落,且能源消耗多,使该技术在实际应用中受到一定限制。为了节约能源,扩大渗硼技术的应用范围,低温渗硼(A1以下)为人们所关注。低温渗硼,能改善渗层性能、降低能耗和减少工件变形,从而把渗硼工艺应用到热处理后对精度与耐磨性都有特殊要求的精密零件上,进一步扩大渗硼工艺的应用。 然而,低温渗硼最大的缺点就是渗层浅,在一定程度上限制了其发展。选择合适的渗剂可以有效提高硼原子在低温下的活性和浓度,使渗层深度增加,渗层组织趋向均匀、致密。另外,对试样进行冷塑性变形,使其表面产生大量不同的晶体缺陷,为活性硼原子提供扩散通道,加速渗层的形成。 本文以原有渗硼剂为基础,利用正交试验研制硼铬稀土低温共渗剂配方,并利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计(HV-1000)、X射线衍射仪(XRD)、WS-2002涂层附着力自动划痕仪等现代分析和表征手段,系统研究和分析了中低碳钢低温共渗层层深、显微硬度、相组成以及共渗层脆性。对20、45钢分别喷丸0.5h、1h、1.5h和压缩10%、20%、30%后,在600℃和650℃时共渗6h,以探讨冷塑性变形对低中碳钢硼铬稀土低温共渗的影响。 采用不同稀土作为催渗剂,对20钢、45钢进行硼铬稀土低温共渗的研究表明,不同种类的稀土其催渗效果不同,总体来讲,氯化稀土的催渗效果要强于氟化稀土和氧化稀土。20钢在氟化稀土、氧化稀土、氯化稀土作用下,共渗层的厚度分别是7.5μm、9μm、11μm;45钢在氟化稀土、氧化稀土、氯化稀土作用下,共渗层的厚度分别是5μm、7.5μm、10μm,因此选用氯化稀土作为催渗剂。 以低温共渗层厚度为指标,利用正交试验筛选出共渗剂配方。结果表明,影响硼铬稀土低温共渗层厚度的主次因素依次为:催渗剂氯化稀土,活化剂氟硅酸钠,还原剂硅钙合金。各因素的优化水平分别为6%、17%、10%,其余共渗剂成分在原来的比例上进行缩放。利用此配方对20、45钢进行650℃×6h硼铬稀土低温共渗,发现低温共渗层的厚度分别为15μm和12μm,与统计分析的理论值相吻合。硼化物是柱状晶形态,且柱状晶基本与试样的表面垂直,共渗层呈梳齿状嵌入基体组织中,有利于渗层与基体的牢固结合。650℃时共渗层比600℃时共渗层组织致密,疏松孔洞少。共渗层的硬度基本保持在1200-1600HV之间,脆性较高温共渗层小得多。20钢低温共渗层主要由Fe2B相组成,存在少量FeB相,45钢共渗层由单一的Fe2B相组成。 不同热处理工艺下冷塑性变形对20、45钢硼铬稀土低温共渗的研究表明,冷塑性变形后试样的共渗层深度得到大幅提升,共渗速度明显增加。在650℃×6h工艺下,20、45钢喷丸1.5h后共渗层厚度分别为19μm、17μm,共渗速度分别提高了26.7%、41.7%,扩散激活能分别降低了3628.01 J·mol-1、5345.69J·mol-1,压缩30%后厚度分别为19.5μm、17.5μm,共渗速度分别提高了30%、45.8%,扩散激活能分别降低了4026.67J·mol-1. 5790.58J·mol-1。当温度降到600℃后,共渗层深度明显减小,但喷丸和压缩仍能增加共渗层深度。冷塑性变形对共渗层的组织、硬度和脆性没有明显影响,共渗层仍具有高硬度、低脆性特点。


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