Na2B4O7-CaCl2体系TA2表面熔盐电解法渗硼的基础研究

摘要

钛作为一种新型的结构材料，逐渐成为工业和民用领域的“全能金属”和“战略金属”。由于其具有密度小、比强度高、耐高低温、耐腐蚀、无毒无磁等特性，钛和钛合金被广泛运用于各行各业。但是，在使用过程中钛表现出硬度低、耐磨性差等缺陷，严重影响钛工件的使用寿命，因此需要对钛和钛合金进行表面处理，本文采用熔盐电解技术在工业纯钛TA2表面渗硼，以提高其表面硬度。 首先，采用循环伏安法和计时电位法对Na2B4O7-CaCl2熔盐电解渗硼机理进行分析，实验表明：熔盐中的钠离子在钛表面被还原，得到的钠原子再与熔盐中生成的B2O3反应而生成硼原子，硼原子扩散进入钛基体形成硼化物渗层。 其次，以90%Na2B4O7-10%CaCl2混合熔盐进行了单因素实验研究，分别研究了电流密度（250~2000A/m2）、电解时间（15~240min）和渗硼温度（1153~1293K）对渗层厚度、形貌、物相等的影响。采用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对试样断面形貌与元素含量分析；采用X射线衍射仪（XRD）对试样表面物相分析；采用维式硬度计测试试样表面硬度。研究表明：随着电流密度的增加，渗层厚度呈抛物线规律变化，电解温度1193K、电解时间60min条件下，电流密度500A/m2时获得渗层中TiB2厚度约为4.5μm，试样表面硬度值为1621HV；渗层厚度随电解时间的延长而增加，在1193K渗硼240min时获得渗层中TiB2厚约度为7.9μm，TiB嵌入基体最大深度约为26.6μm，所得试样表面硬度约为2696HV；在不同温度下渗硼，渗层形成速率随温度升高而增加，1293K渗硼30min获得渗层中TiB2厚度约为6.4μm，TiB厚度约为16.4μm，试样的表面硬度为2899HV。 最后，对渗层生长过程动力学进行了分析，计算出了扩散常数K0和扩散激活能Q，得出了渗层计算公式： dTiB2=4781.5√exp(-26849/T)t,1153K≤T≤1293K,500A/m2。

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1绪论

1.1 钛的概述

1.1.1 钛的发现

1.1.2 钛的性质

1.1.3 钛的分类

1.1.4 钛的应用

1.2 硼的概述

1.2.1 硼的发现

1.2.1 硼的性质

1.2.3 硼的分类

1.2.4 硼及硼化物的应用

1.3 硼钛化合物概述

1.3.1 二硼化钛结构及性能

1.3.2 一硼化钛结构及性能

1.4 表面改性渗硼技术

1.4.1 固体法渗硼

1.4.2 气体法渗硼

1.4.3 液体法渗硼

1.5 背景意义与研究内容

1.5.1 背景及意义

1.5.2 课题研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料与规格

2.2 实验仪器设备与试剂

2.2.1 实验仪器与设备

2.2.2 实验所用试剂

2.3 实验流程

2.3.1 熔盐预热处理

2.3.2 钛表面预处理

2.3.3 渗硼过程操作

2.3.4 渗硼试样处理

2.4 渗层组织及检测方法

2.4.1 XRD表面物相分析

2.4.2 断面形貌分析

2.4.3 FactSage热力学分析

2.4.4 渗层厚度的确定

2.4.5 渗层硬度的测定

3熔盐电解渗硼的电化学行为研究

3.1 概述

3.2 电化学研究方法

3.2.1 循环伏安法

3.2.2 计时电位法

3.3 电极的选取

3.3.1 工作电极的选取

3.3.2 参比电极的选取

3.3.3 辅助电极的选取

3.3.4 三电极体系

3.4 熔盐体系的研究

3.4.1 纯硼砂在钨电极上的电化学行为研究

3.4.2 混合熔盐Na2B4O7-CaCl2在钨电极上的电化学行为

3.4.3 混合熔盐Na2B4O7-CaCl2在钛电极上的电化学行为

3.5 渗硼机理分析

3.5.1 循环伏安法与计时电位法分析

3.5.2 Ti-B二元合金相图分析

3.5.3 Ti-B系反应过程

3.6 本章小结

4熔盐电解渗硼单因素实验研究

4.1 概述

4.2电流密度对渗层的影响

4.2.1 渗层SEM和EDS分析

4.2.2 渗层物相分析

4.2.3 渗硼过程槽电压分析

4.3 渗硼时间对渗层的影响

4.3.1 渗层SEM和EDS分析

4.3.2 渗层物相分析

4.3.3 渗硼过程槽电压分析

4.4电解温度对渗层的影响

4.4.1 渗层SEM和EDS分析

4.4.2 渗层物相分析

4.4.3 渗硼过程槽电压分析

4.4.4 温度对基体组织的影响

4.5 渗层的显微硬度测试

4.6 本章小结

5熔盐电解渗硼的动力学研究

5.1 概述

5.2 渗硼过程动力学分析

5.2.1 Ti-B系动力学分析

5.2.2 单相渗层的动力学曲线

5.2.3 单相渗层的动力学计算

5.3 渗层生长过程探讨

5.4 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文