低温硼铬稀土共渗工艺及共渗层组织和性能研究

摘要

渗硼是应用广泛的表面强化热处理工艺，工件渗硼后能够显著提高其表面硬度和耐磨性。但以往的渗硼工艺往往温度较高，工件易变形，渗层脆性大，容易剥落，使该工艺的使用范围在一定程度上受到限制。为促使渗硼技术的进一步发展，节约环保，低温渗硼逐渐为人们所重视。低温渗硼是指在钢的相变点A1以下温度进行的渗硼，它不仅能够改善渗硼性能，还可以减小工件变形。研究表明，稀土具有明显的催渗效果，可以降低渗硼温度，而铬能降低硼化物脆性。利用这两种元素的特点可实现硼铬稀土共渗。
　　 本文通过对20钢、45钢进行低温硼铬稀土共渗，首先筛选出效果较好的供硼剂和活化剂，然后再运用正交试验优化共渗剂配方，进而研究低温硼铬稀土共渗工艺及共渗层组织和性能，为低温硼铬稀土共渗技术的应用提供技术支持。另外，对试样进行渗前预变形处理，然后进行共渗实验，预变形使试样表面产生大量的位错等晶体缺陷，为活性硼原子提供扩散通道，加快共渗层的形成。
　　 在获得共渗层的基础上，本文利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计(HV-1000)、磨损试验机(M2000)等现代分析和表征手段，研究了20钢、45钢在不同热处理工艺下的低温共渗层厚度、组织、显微硬度和耐磨性以及喷丸和压缩对共渗的影响。
　　 以硼铁作为供硼剂时，其共渗层厚度明显高于以碳化硼和硼砂作为供硼剂时共渗层的厚度，而且硼铁作为供硼剂时的共渗层组织致密。硼砂作为供硼剂，虽价格低廉，但共渗层厚度太浅；碳化硼不仅价格相对昂贵，而且共渗层厚度明显偏低。综上，以硼铁作为供硼剂时的经济性适中，且渗硼层厚度深，故选用硼铁作为供硼剂。
　　 以氟硼酸钾为主要活化剂得到了效果较好的共渗剂配方。添加尿素和硫脲的对比试验结果显示，添加5％尿素的共渗层组织形貌效果较好，且与基体结合力强，而添加硫脲后有大块黑色组织存在；添加1％的氯化铵对低温硼铬稀土共渗有着促进作用，共渗层组织致密均匀，过量会使共渗层产生明显的空洞，有黑色疏松区。
　　 以共渗层厚度为试验指标，利用正交试验优选出了效果最佳的共渗剂配方。影响低温硼铬稀土共渗层厚度的主次因素依次为：催渗剂氯化稀土，活化剂氟硼酸钾，供铬剂高碳铬铁。各因素的优化水平分别为5％、4％和3％，共渗剂的其它成分在原来的比例上进行缩放。利用此共渗剂配方对20钢、45钢在650℃×6h工艺下进行低温硼铬稀土共渗，得到的共渗层厚度分别为25μm、23μm。
　　 分别对45钢低温硼铬稀土共渗层和淬火、低温回火后的T10钢进行了耐磨性实验。结果表明，前者的耐磨性得到明显提高，相对后者提高了约2.6倍。
　　 在相变线以下，对20钢、45钢试样先进行预变形，然后再进行低温硼铬稀土共渗，得到的渗层呈梳齿状，组织致密均匀，并且随喷丸时间和压缩量的递增共渗层厚度显著增加。20钢、45钢经喷丸1.5h后在650℃×6h工艺条件下得到的共渗层厚度分别为34μm、32μm，共渗速度分别提高了36％、39.1％，压缩30％后分别为35μm、34μm，共渗速度分别提高了40％、47.8％。对于20钢而言，扩散激活能最多可降低6253.35J·mol-1，45钢最多可降低11771.66 J·mol-1。
　　 综上所述，利用正交试验优选出了共渗剂配方，使共渗层厚度得到提高、性能得到改善，且渗前预变形明显增加了共渗层厚度。本课题研究可以为低温硼铬稀土共渗技术的应用提供技术支持。