渗硼工艺优化：合金元素对层厚度的影响及富硅过渡区形成

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：经渗硼处理的工件在600℃以下抗氧化性好。图5-42合金元素对渗硼层厚度的影响必须指出，当钢中硅的质量分数大于0.5%时，硅元素将在渗硼过程中被硼化铁挤入内层，造成一个富硅的过渡区。

渗硼是将工件置于渗硼剂中加热、保温，使渗剂分解出硼原子并渗入工件表层的化学热处理工艺。

渗硼的工艺方法主要有固体渗硼、盐浴渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼等，其中以固体渗硼和盐浴渗硼应用最多。

1.渗硼层组织与性能特点

1)渗硼层组织

渗硼层一般由硼化物层和扩散层组成。硼化物层为单相Fe2B或两相的FeB＋Fe2B，厚度一般为0.05～0.15mm。由图5-40所示Fe-B相图可知，硼在α-Fe和γ-Fe中的溶解度都很小，在1149℃，硼在γ-Fe中的最大饱和溶解度也只有0.02%。在渗硼过程中，硼原子渗入工件表面后，很快就达到γ固溶体的饱和溶解度，并形成Fe2B(wB＝8.83%)化合物。如果渗硼剂的活性较高，并且渗硼的时间足够长，表层硼含量继续提高，将在Fe2B的外侧形成含硼量更高(wB＝16.23%)的化合物FeB。FeB和Fe2B通常为梳齿状，垂直于表面楔入基体。渗硼后的金相组织由表面到心部依次为FeB→Fe2B→扩散层→基体。由于碳及大多数合金元素不能溶解于铁硼化合物(FeB和Fe2B)，在渗硼过程中，随着硼化物的形成，钢表面的大部分碳及合金元素被挤至内侧，因而在紧靠硼化物的内侧将出现一个碳和合金元素的富集层。如40Cr钢850℃固体渗硼后油淬的金相组织，最表层白色物体为Fe2B化合物，呈梳齿状楔入基体，与基体间有较大的接触面积，使硼化物层与基体接触比较紧密，内层为马氏体。

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图5-40　Fe-B相图

2)渗硼层性能

工件经渗硼后，表面获得单相或双相的硼化物层，其中Fe2B硬度为1290～1680HV，脆性较小；FeB硬度为1890～2349HV，脆性较大。硼化物摩擦因数较小，钢件表面经渗硼后表面硬度可达1400～2000HV，并且红硬性好，在800℃以下能保持高硬度。在冲击载荷不大的情况下，其耐磨性优于渗碳和渗氮。经渗硼处理的工件在600℃以下抗氧化性好。另外，渗硼层具有良好的抗蚀性，对盐酸、硫酸、醋酸、氢氧化钠水溶液等都具有较高的耐蚀性，但不耐硝酸腐蚀。

渗硼层的缺点是脆性较大，尤其双相层的脆性更大。双相渗硼层在受冲击及温度急剧变化时容易剥落，这是由于Fe2B与FeB的膨胀系数不同，二者之间存在较大内应力所致。

3)碳和合金元素对渗硼层深度的影响

钢中的碳和合金元素都会不同程度地阻碍硼的扩散，减小硼化物层的深度，并使硼化物的梳齿状趋于平直化，与基体接触面积减小，结合牢固程度减弱。钢中碳含量增加，渗硼层深度减小，如图5-41所示。渗硼时间越长，碳的影响越明显。合金元素对渗硼层厚度的影响如图5-42所示。所有合金元素都使渗硼层深度减薄，其中Mo、W最强烈，Cr、Si、Al次之，Mn、Ni影响很小。

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图5-41　钢中碳含量对渗硼层厚度的影响

1—碳钢；2—铬钢

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图5-42　合金元素对渗硼层厚度的影响

必须指出，当钢中硅的质量分数大于0.5%时，硅元素将在渗硼过程中被硼化铁挤入内层，造成一个富硅的过渡区。硅是强烈缩小奥氏体区、促使铁素体形成的元素，因此富硅区形成铁素体软化区，在渗硼层承受较大外力时易被压陷和剥落。所以含硅的合金钢(9SiCr、38CrSi、60Si2Mn)是不适宜渗硼的。

2.渗硼工艺

1)盐浴渗硼

将工件置于熔融的盐浴中，使其表面渗入硼原子的工艺方法称为盐浴渗硼。

渗硼剂由供硼剂、还原剂和活化剂三部分组成。供硼剂常采用硼砂Na2B4O7，还原剂常用SiC、Si-Fe、Si-Ca等，活化剂常用K2CO3、KCl、NaCl等。活化剂的作用是改善盐浴的流动性，使黏附在工件表面的残盐容易清洗，同时还可以促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。

渗硼剂质量配比如70%Na2B4O7＋20%SiC＋10%NaF。

目前大多以SiC作为还原剂进行盐浴渗硼，SiC与硼砂的反应如下

Na2B4O7＋SiC＝Na2O·SiO2＋CO2＋O2＋4[B]

活性硼原子[B]被工件表面吸收，生成硼化物层(Fe2B或Fe2B＋FeB)。考虑盐浴的流动性，SiC的加入量不应超过盐浴总量的30%(质量分数)，以13.6%为最佳。选用铝或稀土作为还原剂，盐浴的流动性好，活性强，一般得到双相(FeB＋Fe2B)硼化物层。这类盐浴成分偏析大，使用时需搅动，且熔融的铝对钢铁零件及坩埚有腐蚀作用。

渗硼速度除与渗剂配方有关外，还与处理温度、时间和基体材料成分有密切关系。

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图5-43　渗硼温度和时间与渗硼层厚度的关系

渗硼层厚度随着温度的提高和时间的延长而增加，如图5-43所示。渗硼温度是影响渗硼层性能的主要因素，温度过高(高于1000℃)会引起晶粒粗大、表层致密度降低，出现多孔层，脆性增加；温度过低，盐浴活性小，渗硼速度太慢。目前广泛采用的渗硼温度为930～950℃，保温2～6h。

2)固体渗硼

固体渗硼是将工件埋入粉末或颗粒状的渗硼剂中进行渗硼的工艺。

固体渗硼剂由供硼剂、活化剂和填充剂组成。供硼剂的作用是在渗入过程中，通过化学反应连续不断地提供活性硼原子。常用的有碳化硼(B2C)、硼铁合金(Fe-B)、无水硼砂(Na2B4O7)等。碳化硼含硼量高，渗硼能力强，渗硼层较致密，但价格较贵。国内多采用价格较低的硼铁合金或硼砂作为供硼剂。活化剂的主要作用是提高渗硼剂的活性，使工件表面处于活化状态，使硼原子容易吸附于工件表面，加速渗硼过程。活化剂多采用氟硼酸钾(KBF4)、氯化铵(NH4Cl)、碳酸盐[Na2CO3、(NH4)2CO3]等。加入填充剂的目的是使渗硼剂保持松散，防止渗硼剂在高温下烧结并黏附在工件表面。填充剂常用的有碳化硅(SiC)、三氧化二铝(Al2O3)和木炭粉等。

固体渗硼具有设备简单、操作方便、工件表面便于清理等优点。但固体渗硼能耗大，生产效率低，工作环境差，劳动强度大，渗层组织和深度较难控制。

3.渗硼后的热处理

工件渗硼后是否进行热处理要视具体要求而定。对只要求表面耐磨而对心部强度要求不高的工件，渗硼后可空冷；对心部强度要求较高的工件，渗硼后还应进行淬火、回火处理，以提高基体的力学性能，增强基体对渗硼层的支撑能力。由于在热处理过程中基体发生相变，而渗硼层不发生相变，硼化物(FeB、Fe2B)和基体的膨胀系数相差悬殊，渗硼层易因淬火应力而出现裂纹和崩落，因此，淬火时要尽量采用较缓和的淬火介质，并及时回火，一般为低温回火。

4.渗硼的应用

低、中、高碳钢及合金钢均可渗硼，具体可根据心部及渗层性能的不同要求采用不同钢种。

渗硼主要应用于各类冷、热作模具，以及探矿和石油机械、砖成形模板等要求耐磨粒磨损、耐高温磨损和耐高温腐蚀的工件。所有这些应用中，渗硼都能使寿命成倍甚至成十倍的提高，并可以用碳钢或低合金钢代替高合金钢，节约了价格较高的材料，降低了生产成本，显示了巨大的技术和经济效益。

渗硼工艺优化：合金元素对层厚度的影响及富硅过渡区形成

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