纯镍基体电场辅助低温渗硼工艺及性能的研究

【摘要】：镍具有优越的高温强度和抗氧化性能,但硬度低,抗高温摩擦磨损和冲蚀磨损性能差。在纯镍表面通过渗硼方式形成一层致密的渗硼层能显著提高纯镍抗高温氧化和磨损性能。用传统工艺在纯镍基体上获得的渗硼层的厚度小,孔洞疏松多,难以满足应用需求。本文改进传统渗硼剂配方,用α-Al_2O_3粉替代Si C作固体渗硼中的填充剂,对纯镍基体固体粉末渗硼和交流电场辅助固体渗硼工艺、组织和性能进行了研究,并探究纯镍基体交流电场辅助低温渗硼的工艺。全文结论如下:用α-Al_2O_3粉替代Si C作填充剂在纯镍基体上渗硼,避免了Ni_2Si等疏松层的形成,在950℃+6h渗硼的渗层厚度为23μm。纯镍基体上固体粉末渗硼的扩散激活能为205.3k J/mol。渗硼层由Ni_3B和Ni_4B_3相组成,由于渗硼温度过高,渗硼层表层依旧存在孔洞和疏松。纯镍基体用交流电场辅助固体渗硼,可在中低温获得较厚的渗硼层,并显著减少渗硼层组织中的孔洞和疏松,电场辅助渗硼剂中添加少量石墨粉或活性炭可显著增加渗层厚度,促进高硼含量的Ni B和Ni_4B_3相的形成,渗硼层的相组成为Ni_3B,Ni_2B,Ni_4B_3和Ni B。渗层厚度随辅助交流电频率的升高而先增加再略微下降,频率最佳值为200Hz。在200Hz+100V和800℃+4h的渗硼工艺下可得到75μm渗硼层,渗层硬度可达1304HV_(0.025)。渗层厚度随辅助交流电压的增加而快速增加,在100V以上时厚度的增加速率趋缓。外加的交流电源在渗罐内部产生交变电场,起到电场搅拌作用,对渗硼剂的化学反应起到促进作用。电压越大,渗剂反应产生的活性B原子越多;频率越高,渗剂内的离子振荡越剧烈,产生的活性B原子越多。提高电压和频率均使渗硼剂中的硼势升高,促进渗硼层内Ni B和Ni_4B_3相的形成,并增加渗硼层厚度。纯镍基体在200Hz+130V和650℃+6h渗硼,在纯镍基体可得到41μm渗硼层,渗硼层中没有孔洞和疏松。