微波渗硼工艺及机理的探讨

【摘要】：本文利用微波对某些吸收微波的物质具有特殊的加热作用和微波效应等特点来进行钢铁表面渗硼层的制备。通过对渗层组织、形貌、力学性能等观察与测试，对微波渗硼层进行了较细致的研究，并与常规渗硼进行了比较。为了分析和研究微波渗硼的机理，研究了碳含量对微波渗硼层组织和性能的影响，同时对微波场下渗硼的动力学和热力学进行了分析与计算。 实验结果表明：在微波场下渗硼，其渗硼层的形成速率远大于常规渗硼，渗层组织特征与常规渗硼条件下的基本相同，所有渗层都呈现典型的垂直于表面的锯齿状结构。渗层的形成是以形核长大方式进行的。微波场下的渗硼层形成所需的硼原子来源于介质分解的活性硼原子和气态硼化物分解的硼原子。 随着钢中碳含量的增加，渗硼层的组织特征变化规律与常规渗硼层的一致，其渗层的生长形成规律并没有因渗硼方式的改变而改变。微波渗硼的低、中碳钢渗层中没有明显宽度的富碳区。渗层总厚度随着钢中碳含量的增加而减少，其减少的幅度要低于常规渗硼，对于低、中碳钢，其变化率大约是其常规渗硼的1／3～1／2。微波渗硼后渗层的显微硬度随着碳含量的增加稍有减少。 微波渗硼扩散激活能大约为2.66×10~5J·mol~(-1)，与常规渗硼扩散激活能为同一数量级，微波条件下[B]的扩散过程和机制与常规渗硼相同。微波渗硼的扩散常数为D_0=0.163479m~2／s，较常规渗硼条件相比，大大增加。 介质反应产生活性[B]原子的反应体系的吉布斯自由能ΔG与温度T的变化关系分别表示为ΔG_(T1)=-2936260+312.84T，ΔG_(T2)=-3047690+399.74T和ΔG_(T3)=-495732.7+221.15T；在1000K-1300K温度范围，γ-Fe与[B]生成FeB的自由能以及在700K-1000K温度范围，α-Fe与[B]生成FeB的自由能计算公式分别为：ΔG_(γ-Fe)=-69691.48+0.17T和ΔG_(α-Fe)=-69615.80+0.093T。在微波渗硼温度范围内，渗硼反应过程是按照B+Fe_2B→2FeB方向进行。在低于1160K温度微波渗硼，Fe_2B较FeB容易形成。当渗硼温度超过1160K时，形成FeB相的自由能较形成Fe_2B的自由能更低，易形成FeB相。