644522921毕业设计（论文）低碳钢表面渗硼工艺的研究

《644522921毕业设计（论文）低碳钢表面渗硼工艺的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《644522921毕业设计（论文）低碳钢表面渗硼工艺的研究（42页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 郑州大学毕业设计（论文）题目：低碳钢表面渗硼工艺的研究Study on the processing of the surface boroniding of the low carbon steel 学生姓名指导教师班 级材料成型与控制工程06级专 业材料成型及控制工程学 院材料科学与工程学院2010年6月2日37摘 要本文研究了低碳钢表面渗硼工艺，实验中采用的变量有3个，分别是渗剂中硼砂的配比，渗硼时的保温时间和渗硼温度。每个变量都做3个不同的实验。通过对实验中所做不同渗剂配比后的试样表面现象进行对比分析，发现渗剂中硼砂配比很重要，如果量过多容易造成严重的结块现象。对不同保温时间后的试样

2、的对比分析，发现5小时是本实验的最佳保温时间。对不同渗硼温度后的试样的对比分析，发现在一定的范围内，随着温度的上升，渗层厚度也增加，在920左右是比较合适的渗硼温度。综合对比考虑后，得出了最佳工艺。关键词：低碳钢；渗硼；工艺ABSTRACTThis paper is about the research on the surface boroniding process of the low carbon steel. There are three variables used in this experiment；the ratio of the borax、holding time an

3、d temperature of boroniding. Three different experiments were done about each variable。By the comparison of the appearances of sample after boroniding in the different ratio of the borax，It is found the ratio of the borax was very important . If the borax was used too much，it was easy to cause the s

4、erious agglomeration . By the comparison of the microstructure of the samples after boroniding with the different holding time，it is found that the best holding time was five hours. By the comparison of the microstructure of the samples after boroniding at the different holding temperature，we knew t

5、hat as the increasing of the temperature，the thickness of the boride layer also increased within certain limits.And the proper temperature is about 920. At the end of the article，the best processing technique was made.Key words: the low carbon steel, boroniding , processing.目 录摘 要iiABSTRACTiii1概述11.

6、1 绪论11.2低碳钢介绍11.2.1低碳钢的特点11.2.2 低碳钢的应用11.3表面渗硼21.3.1 表面热处理介绍21.3.2渗硼21.3.3渗硼方法31.4渗硼的应用31.4.1冷作模具渗硼31.4.2 热作模具渗硼31.4.3渗硼技术的其他应用41.5选题意义41.6实验中需解决的问题42 实验过程52.1渗硼工艺52.1.1母材的选取52.1.2渗硼配比及处理工艺的制定52.1.3渗硼前准备62.1.4进行渗硼62.2 试样的制备62.2.1试样的截取62.2.2制作金相试样72.3金相观察82.4显微硬度的测量83 实验结果分析93.1渗层组织形貌分析和硬度93.2过渡层组织分析

7、和硬度103.3基体的组织分析和硬度特点113.4渗剂中硼砂含量的影响分析123.5保温时间的影响133.6温度的影响133.7现场144 结论15参考文献16附件1：毕业设计（论文）任务书17附件2：郑州大学毕业论文开题报告表18附件3：毕业设计（论文）计划进程表20附件4：郑州大学毕业设计中期检查表21附件5：毕业设计（论文）成绩评定表22外文翻译23翻译原文32致 谢37 1概述1.1 绪论渗硼工艺自诞生至今已有100多年的历史，此间国内外的同行们创造发明了许多渗硼方法，如固体粉末渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼等，其中固体渗硼因具有操作方便、使用设备简单、质量易控制等优点因而在生产中

8、得到较广泛的应用。众所周知，硼化物层具有硬度高(Fe2B为12901680 HV , FeB为18902 340HV、耐蚀性、耐磨性好，抗高温氧化性及红硬性优良等优点；但由于目前渗硼处理的温度较高，渗硼处理后零件的变形较大以及渗层较薄、渗层脆性较大、成本较高等原因，限制了渗硼技术的推广应用，为此国内外的专家学者在此方面做了大量的探索研究，如采取渗硼后获得单相的Fe2B或渗硼后进行真空扩散而得到单相Fe2B，渗硼的共晶化处理及共渗与复合渗等工艺来降低渗硼层的脆性，目前的研究方向主要是降低渗硼温度，多元复合渗硼改善渗层显微组织、显微硬度、脆性和耐磨性，以及渗硼共晶化使渗层与基体呈冶金结合，从而改善

9、以往的渗硼层脆性大、容易剥落等问题。但固体渗硼剂因多以碳化翻或硼铁做供硼源，有成本较高的缺点。近年来研究了以廉价的硼砂作为固体渗硼剂的供硼源，获得了较大的进展并大大降低了渗剂的成本。然而有关这类渗剂的性能以及它在生产中的应用的报道还不多见。本文对硼砂型固体渗翻剂的配方及工艺过程作了一定的研究。1.2低碳钢介绍1.2.1 低碳钢的特点低碳钢含碳量从0.10至0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳钢硬度很低，切削

10、加工性不佳，淬火处理可以改善其切削加工性。1.2.2 低碳钢的应用低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带、钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体和农机具等。优质低碳钢轧成薄板，制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品；还轧成棒材，用于制作强度要求不高的机械零件。低碳钢在使用前一般不经热处理，碳含量在0.15以上的经渗碳或氰化处理，用于要求表层温度高、耐磨性好的轴、轴套、链轮等零件。 低碳钢由于强度较低，使用受到限制。若降低钢中碳含量并加入少量铝、少量硼和碳化物形成元素，则可得到超低碳贝氏体组织，其强度很高，并保持较好的塑性和韧性。1.3表面渗硼1.3.1 表面热处理介绍表面热处理是一种对

11、工件表面进行强化的金属热处理。它不改变零件心部的组织和性能。广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理分为表面化学热处理和淬火两大类。化学热处理：将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理，以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。根据渗入元素的不同 ，化学热处理可分为渗碳 、渗氮、渗硼、

12、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。化学热处理的目的：主要是提高刚件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗氧化性等。表面渗硼是一种应用广泛的表面化学热处理技术。1.3.2 渗硼渗硼定义：在钢的表面渗入硼元素以获得铁的硼化物的工艺。渗硼层的组织性能：铁的表面渗入硼后，例如在1000渗硼，由于硼在-Fe中的溶解度很小，因此立即形成硼化物Fe2B，再进一步提高浓度则形成硼化物FeB。硼化物的长大，系靠硼以离子的形式，通过硼化物至反应扩散前沿Fe-Fe2B及Fe2B-FeB界面上来实现。因此，渗硼层组织自表面至中心只能看到硼化物层，如浓度较高，则表面为FeB，其次为Fe2B，呈梳齿

13、状楔入基体。当渗硼层由FeB和Fe2B两相构成时，在它们之间将产生应力，在外力(特别是冲击载荷)作用下，极易产生裂缝而剥落。在渗硼过程中，随着硼化物的形成，钢中的碳被排挤至内侧，因而紧靠硼化物层将出现富碳区，其深度比硼化物区厚得多，称扩散区。硅在渗硼过程中也被内挤而形成富硅区。硅是铁素体形成元素，在奥氏体化温度下，富硅区可能变为铁素体，在渗硼后淬火时不转变成马氏体。因而紧靠硼化物区将出现软带(HV300左右)，使渗硼层容易剥落。钼、钨可强烈地减薄渗硼层，铬、硅、铝次之，镍、钴、锰则影响不大。渗硼具有比渗碳、碳氮共渗高的耐磨性，又具有较高耐浓酸(HCI，H3PO4，H2SO4）腐蚀能力及良好的耐

14、10食盐水、10苛性碱水溶液的腐蚀，但耐大气及水的腐蚀能力差渗硼层还有较高的抗氧化及热稳定性。1.3.3渗硼方法渗硼法有固体渗硼、液体渗硼及气体渗硼。由于气体渗硼采用乙硼烷或三氯化硼气体，前者不稳定易爆炸，后者有毒，又易不解，因此未被采用。现在生产上采用的是粉末渗硼和盐浴渗硼。近年来由于解决了渗剂的结块问题，粉末渗硼法获得了愈来愈多的应用。目前最常用的是用下列配方的粉末渗硼法：5KBF4+5B4C+90SIC + Mn-Fe。把这些物质的粉末和匀装入耐热钢板焊成的箱内，工件以一定的间隔(20一30mm)埋入渗剂内，盖上箱盖，在9001000的温度保温15小时后，出炉随箱冷却即可。粉末渗硼法是固

15、体渗硼法的一种。上列渗剂中各部分的作用是：B4C为硼的来源，KBF4是催渗剂，SiC是填充剂，Mn-Fe则起到使渗剂渗后松散而不结块的作用。如此渗硼后冷至室温开箱时，渗剂松散，工件表面无结垢等现象，无需特殊清理。由于固体渗硼法无需特殊设备，操作简单，工件表面清洁，已逐渐成为最有前途的渗硼方法。盐浴渗硼：常用硼砂作为渗硼剂和加热剂，再加入一定的还原剂，如SiC，以分解出活性硼原子。为了增加熔融硼砂浴的流动性，还可加入氯化钠、氯化钡、或盐酸盐等助熔盐类。盐浴渗硼属于液体渗硼的一种。常用盐浴成分有下列三种：(1) 60硼砂十40碳化硼或硼铁；，(2) 5060硼砂+4050S1C；(3) 45BaC

16、l+45NaCl+10B4C或硼铁。1.4渗硼的应用1.4.1冷作模具渗硼冷作模具主要的要求是抗磨损，故渗硼对于因磨损失效的模具非常合适。对于只要求表面耐磨而基体强度要求不高的模具，渗硼后可不再进行热处理，这样既可保持模具的表面光洁度，又可保持基本不变形。这类模具由于渗硼后不需要淬火回火，故可用廉价的普通碳素钢制作，从而降低成本，节约合金钢材。对于工作中承受较大压力和冲击的模具，渗硼后必须重新淬火回火，以使基体达到所需的强韧性。当然渗后重新加热淬火时必须采用盐浴加热或涂敷防氧化剂，以免损坏渗硼层。这类模具一般均为粗形模具，如冷徽、冷拔、冷挤模等。1.4.2 热作模具渗硼热作模具一般包括热冲、热

17、拔、热挤、热锻和压铸模具，此类模具工作温度高，模具温升可达600700 0C，工作中要承受高温、强力摩擦和急冷急热的热疲劳等服役条件，所以这类模具以前多采用氰化、渗氮处理，但因工作温度高而效果不明显。对榴弹生产中的热冲压冲头、氧气瓶生产中的热引伸冲头、汽车前轴的热锻模和电子器件压铸模进行了渗硼生产应用研究，并获得了成功，特别是热冲压冲头、热引伸冲头，经渗硼回火后使用寿命提高36倍。另外在压铸模方面以普通碳素钢渗硼替代3Cr2W8V高合金钢取得了成功。1.4.3渗硼技术的其他应用渗硼技术也应用到了石油机械上，如用于超低碳铬镍不锈钢制的阀杆、耐热钢制分离器壳体等均获得成功。渗硼工艺还成功地应用于饲

18、料粉碎机的锤片、泥浆泵钢套和可锻铸铁制件，以及纺织机械导板配件等。1.5选题意义我所研究的是低碳钢表面渗硼的工艺，因固体渗硼剂因多以碳化硼或硼铁做供硼源，有成本较高的缺点。近年来研究了以廉价的硼砂作为固体渗硼剂的供硼源，获得了较大的进展大大降低了渗剂的成本。然而有关这类渗剂的性能以及它在生产中的应用的报道还不多见。由于渗硼工艺的广泛应用，而且渗硼后的工件硼化物层具有硬度高、耐蚀性、耐磨性好，抗高温氧化性及红硬性优良等优点。本文对硼砂型固体渗翻剂的配方及工艺过程作了一定的研究，因此，选取此课题有很大的意义。1.6实验中需解决的问题通过实验研究渗剂中硼砂的用量，以及在什么样的温度和保温时间下，可以

19、得到比较理想的渗层厚度和均匀组织。温度、保温时间、渗硼剂等都是实验是需要综合考虑和对比的。最后用金相显微镜对试样表面进行金相组织观察，并用显微硬度记测量硬度。实验中应该注意以下问题：（1）要注意安全，严格执行实验要求，不该做的一定不能做，听从老师和有关人员的指示和要求。（2）试验过程中要严格执行操作规范，并记录好实验数据。（3）实验结束后，按照要求对实验结果分析和观察。（4）实验所用药品，用后放回原处，并洗手，防止中毒等危险情况发生。2 实验过程2.1渗硼工艺 2.1.1母材的选取渗硼工艺发展以来，经过大量的实验和生产实践证明，很多材料可以渗硼或适合渗硼，其中渗硼在钢铁上的研究和应用是最多的。

20、由于硼化物层具有高的耐磨性，则寻求足够强度、硬度和一定塑性的基体与硼化物层配合是十分重要的，即渗硼的选材是十分重要的。在低碳钢里面，Q235和20钢经常被用于进行渗硼处理，渗硼效率高，易获得单相层，硼化物成梳齿状，与基体结合力强。在此基础上，我们选择20钢，尺寸为70mm12mm。 20钢的力学性能： 抗拉强度 b (MPa)：410(42) 屈服强度 s (MPa)：245(25) 伸长率 5 ()：25 断面收缩率 ()：55 硬度 ：未热处理,156HB2.1.2渗硼配比及处理工艺的制定表1 渗硼实验方案Table 1 The program of boroniding experime

21、nt代号渗剂配方处理工艺110Na2B4O7+12KBF4+20%Si3Fe4+20活性碳+35%石墨 +3%NH4Cl920x5h215Na2B4O7+12KBF4+20%Si3Fe4+20活性碳+30%石墨 +3%NH4C920x5h320Na2B4O7+12KBF4+20%Si3Fe4+20活性碳+25%石墨 +3%NH4C920x5h415Na2B4O7+12KBF4+20%Si3Fe4+20活性碳+30%石墨 +3%NH4C920x6h515Na2B4O7+12KBF4+20%Si3Fe4+20活性碳+30%石墨 +3%NH4C920x4h615Na2B4O7+12KBF4+20%S

22、i3Fe4+20活性碳+30%石墨 +3%NH4C850x5h715Na2B4O7+12KBF4+20%Si3Fe4+20活性碳+30%石墨 +3%NH4C900x5h上述渗剂中各部分的作用是：Na2B4O7是供硼剂，提供硼的来源；KBF4是活化剂，产生气态化合物，提高渗剂的活性，加速渗硼过程；Si3Fe4 是还原剂，活性碳和石墨是填充剂，是渗剂的载体，具有防止烧结，保持渗剂的松散性和还原性气氛的作用；NH4Cl是助渗剂工艺过程流程：混料配方-加热烘干-入罐混合-装罐-密封-入炉2.1.3渗硼前准备渗硼前，要把试样准备好，用砂纸对试样表面进行除锈处理，直到表面光亮如新，看不到原有的铁锈为止，试

23、样表面不能有油污等一些可能阻止硼原子进入试样的东西，试验前试样必须充分清洗，清洗方法视试样表面状况和污物性质而定。不能使用会浸蚀试样表面的磨料和溶剂，试样洗净后，必须避免沾污。清理干净。对渗硼所用的炉子进行检查，确保炉子的实用性和安全性。实验所用的药品，按照配比称量准确。对于硼砂要先在炉温350下脱水处理一个小时，等冷却后再称量所需的量。然后把除NH4Cl 、硼砂外的其他药品在100下干燥半小时。把药品混合搅拌均匀，这些都是渗硼前必须准备好的。2.1.4进行渗硼把渗剂装入渗硼所用的罐子里，在罐底铺约10 mm厚的固体渗硼剂（Na2B4O7+KBF4+ Si3Fe4+活性碳+石墨 +NH4Cl的

24、不同比例的混合物），然后放入试样，试样埋在渗硼剂的中央，与壁之间留有10-20 mm的距离，试样之间间隔20-30mm，之后把剩余的渗剂装入，最后用石棉绳和粘土把罐子密封好。本实验用箱式电阻炉，按照实验工艺参数设置好炉温后，等炉子加热到指定温度后，放入渗硼罐子，并计时。要定时对炉子进行查看，确保各种参数的稳定，做好各种数据的记录和整理，确保实验正常的进行。最后实验结束后，关掉炉子，取出罐子并空冷。待冷却后，取出试样并清理，记录现象。2.2 试样的制备2.2.1试样的截取利用线切割技术从编号分别为1、2、3、4、5、6、7号的渗硼后的母材上截取试样，试样尺寸为15mm12mm的圆柱体，并分别按照

25、原来的编号1、2、3、4、5、6、7号，然后开始制作金相试样。2.2.2制作金相试样制作金相试样时，首先要进行磨光。磨光过程是试样制备最重要的阶段，除使试样表面平整外，主要是使组织损伤层减少到最低程度甚至毫无损伤。在磨制试样时步骤如下，首先用100号的粗砂纸磨平试样表面，然后用再用200、400、600、800号金相砂纸磨光。磨光时施加的压力大小要合适，在更换下道细砂纸时不必减少压力，因为在合适的范围内施加的压力大，磨光速率也大，而对损伤层的影响并不大。但是用力不宜过大，时间也不宜过长，以免试样表面产生新的损伤层，给抛光带来困难。磨样时要注意：在第一张砂纸上试样始终朝一个方向磨，换下一道砂纸的

26、时候将试样旋转90同样只朝一个方向磨，直到将在上一道砂纸上磨出的磨痕磨光为止。每换一次砂纸都必须将试样清洗干净，不允许把上道工序的残留磨料带到下道工序去，经过这样磨光的试样，肉眼观察非常光滑，就像平面镜一样能产生反射，然后置于显微镜下观察，只有呈现出一个方向的细磨痕。试样经磨制后，及时进行抛光，常用的抛光方法主要有机械抛光、电解抛光和化学抛光。本实验采用机械抛光，在机械抛光中抛光盘由电动机带动，上面铺以抛光布。粗抛采用帆布呢或粗呢，精抛用绒布、细呢或丝绸，本试样采用绒布作为抛光布。抛光膏为在水中加入粒度为0.3-1.0微米的Gr2O3悬浮液，配比为5-10克/升。抛光时间不宜过长，以磨痕全部消

27、除呈镜面即可停止，清洗干燥后备用。试样经抛光之后进行侵蚀，试样的侵蚀属于电化学侵蚀，晶粒之间、晶粒与晶界之间、各相之间甚至同一晶粒的不同部位之间，在化学侵蚀液中具有不同的电势，组成众多的微电池。电势较低处形成电池的阳极，溶解较快；电势较高处形成阴极，溶解较慢。其原因是抛光镜面在电化学侵蚀作用下，变得凹凸不平，从而对入射光线形成有选择的有规律的漫反射，显示出晶粒晶界、相和组织结构。对于单相合金来说，可以显示晶界和晶粒位相。同位相束中板条晶在金相侵蚀时以相同的方式受到侵蚀，在光学金相视场中形成均匀的块状结构。对于多相合金，相界具有类似的电化学效应，相界溶解较快。在相界与相，相邻的相之间产生不同的侵

28、蚀速度，在抛光表面形成凹洼或着色，显示出相和组织。抛光表面在侵蚀前应该保持清洁，无水迹和油污。不同的材料显示不同的组织，应该选择合适的侵蚀液。侵蚀方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作时均应使侵蚀液均匀侵蚀样品表面，侵蚀时间的长短，依样品材料的不同而不同。一般而言，组织越弥散越易侵蚀，淬火钢、合金元素含量高的材料、不锈钢等组织侵蚀时间宜长些。侵蚀时间在相当程度上取决于制作经验，一般侵蚀到表面稍微发暗即可，侵蚀好的样品应立即用酒精擦洗干净，干燥后即可进行金相观察。本实验试样所采用的浸蚀剂为苦味酸(NO2)3C6H2OH)，在腐蚀的时候一定要注意观察侵蚀力度，避免侵蚀不够或者过度侵蚀。所有试样都采用上

29、述方法进行磨制和侵蚀，备用。2.3金相观察试样经侵蚀后，首先用金相显微镜观测金相组织，看能否观测到金相组织和金相组织是否清晰可见，如果不能观测或组织不够清晰应重新磨制原观测面后再抛光侵蚀，直至能清晰地看到金相组织。然后用OLMPUS-BH-2三目金相显微镜对每个试样的渗层、过渡层和基体进行金相照片，记录好观测时放大倍数和试样编号，保存好照片，记录好数据以备分析，实验结束后整理好实验仪器。2.4显微硬度的测量显微硬度计，实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测定之前，先准备好金相试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不

30、同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值，这个显微硬度值表示的是维氏硬度（HV）。本实验加载载荷为9.806N，加载时间为15s，加载和卸载完全自动化，每次测量后记录好试样编号和两对角线长度，输入到硬度计上面显示出显微硬度，记录好硬度值，重复操作，每个试样观测6个位置，包括基体组织、过渡层组织和渗层组织的显微硬度，整理好实验数据。操作硬度计的过程中要遵守操作规范，实验结束后整理好实验仪器。3 实验结果分析3.1渗层组织形貌分析和硬度Fig.1 The micros

31、tructure of boroniding layer（x200）渗层的显微组织（x200）Fig.2 The microstructure of boroniding layer（x500） 渗层的显微组织（x500）由图1和图2所示的渗硼层组织形貌可知，20钢渗硼的金相组织形态为齿状，且垂直于表面楔人基体。由于硼化物晶粒呈柱状聚合成长，易在基体上形成齿状渗硼层。渗层由硼化物组成。渗硼层的相组成一般为单相的Fe2B或者是双相的FeB和Fe2B。由于FeB和Fe2B 的热膨胀系数不同，它们之间易产生较高的应力集中，在外部载荷下更易形成裂纹和脆断卜不适于工业生产，因而单相渗层更加有利于钢性能的

32、发挥。硼原子扩散进人基体后首先形成Fe2B相，Fe2B中B的原子分数约为9%，而FeB中B则为16%左右。因此，当活性硼原子浓度较高时易在Fe2B层外部形成FeB，导致双相渗层。活性硼原子的多少取决于供硼剂、还原剂和温度等因素，可以通过加入不同的还原剂控制硼化物的相结构。硼势较低时更易形成单相的Fe2B。本试验所用渗硼剂和渗硼工艺容易获得单相的Fe2B。由照片可知，在钢的表面形成了一定厚度的渗硼层，是由化合物层、过渡层和心部基体组织三部分组成。渗硼层呈锯齿状嵌人过渡层和心部基体组织中，这种结构有利于渗层与基体的牢固结合。渗硼层最外层比较疏松，次外层致密。通过组织分析和硬度测试，我们知道渗层处由

33、于硼化物的存在，硬度比较高，下表是渗层处的显微硬度值：表2 渗层处的维氏显微硬度Table2 The microhardness of the boroniding layer数据1数据2数据3数据4数据5数据6数据7平均值120914241357145612851271133013333.2 过渡层组织分析和硬度Fig.3 The microstructure of the transitional layer（x200）过渡处的显微组织（x200）Fig.4 The microstructure of the transitional layer（x500） 过渡处的显微组织（x500）

34、过渡层与基体相比，是一个增碳区。渗硼层的过渡层比其他地方要黑一些，是因为其中C的存在，是由于B原子扩散进人20钢表层后与Fe形成硼化物时将钢中的碳挤向基体，因硼化物中不溶解碳，所以在硼化物下面形成了碳的再分配区(即富碳区)，并且碳的浓度是沿层深逐渐降低的。另外就是硅在渗硼过程中也被内挤而形成富硅区。硅是铁素体形成元素，在奥氏体化温度下，富硅区可能变为铁素体，淬火时不转变成马氏体。因而紧靠硼化物区将出现被称为“黑色组织”的软带。通过对过渡层处的硬度测试和组织分析，该过渡处由于碳的富集硬度较基体硬一些，但但部分还是基体组织硬度提高不是很多，下表为过渡层处的显微硬度(HV)值：表3 过渡层处的维氏显

35、微硬度Table3 The microhardness of the transitional layer数据1数据2数据3数据4数据5数据6数据7平均值304.7308.8326.5310.8300.7353.3373.2325.43.3 基体的组织分析和硬度特点Fig.5 The microstructure of the matrix（x200）基体的显微组织（x200） Fig.6 The microstructure of the matrix（x500） 基体的显微组织（x500）20钢的基体主要由珠光体和铁素体组成，珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在Fe中的间隙固溶体)发生共析转变

36、所形成的铁素体与渗碳体的共析体，塑性和韧性较好。碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。由于珠光体和铁素体的特点比较相似，都是塑性和韧性好，但强度和硬度低。所以基体的特点就是塑性和韧性好，但强度和硬度低。下表是基体的显微硬度值：表4基体的维氏显微硬度Table 4 The microhardness of the matrix数据1数据2数据3数据4数据5数据6数据7平均值295.0189.8225.4276.7230.6251.5247.2245.23.4 渗剂中硼砂含量的影响分析试验中的1、2、3号罐的变量是硼砂和石墨的含量，在920的渗硼温度

37、和5小时的渗硼保温时间下的渗后现象：1. 粘土经高温加热后。与罐分离。2. 3号比1、2号烧结严重3. 试样表面存在残留渗剂，不易清除。 硼砂熔点为742，在渗硼温度下，易使渗剂结块和试样表面粘结。如加入量过多会使渗硼剂粘结，影响表面质量，从实验后的现象可以看出，3号罐加入的20%的硼砂量过多。渗剂中加入石墨可以解决这一问题，石墨粉加入量与渗剂成分有关，.若渗剂中石墨粉加入过多时，会降低渗硼速度和渗翩层的致密度，所以石墨粉的加入量也不能过多。因此，适当的减少石墨粉的含量可减轻它对渗硼速度的不利影响。综合考虑，选定2号渗剂中硼砂量为3个中最佳，2号渗剂各种配比比较合适。3.5 保温时间的影响试验

38、中的2、4、5号罐是在渗硼温度为920，硼砂加入量为15%时，在不同保温时间的下的渗层对比。表5 不同保温时间下的渗层比较 The comparation of the boroniding layer under different holding time编号温度保温时间厚度备注29205h62m渗硼层连续，致密性好49206h74m渗硼层连续，致密性好59204h36m渗硼层不太连续，致密性差根据实验结果可知，在相同温度下，保温时间越长，形成的渗层越厚，致密性也好。但在渗硼过程中，钢表面的奥氏体很快被硼饱和，并立即形成Fe2B化合物，如果渗硼剂的活性够高，渗硼时间足够长，将在Fe2B层的

39、外侧形成含硼量更高的化合物FeB相，由于FeB相会加剧渗硼层的脆性，要控制FeB相的量。所以尽量减少渗硼时间以避免生成过多的FeB相。综合考虑，决定以保温时间5h作为此工艺的最佳时间。3.6 温度的影响试验中的2、6、7号罐是在渗硼保温时间为5小时，硼砂加入量为15%时，在不同保温温度的下的渗层对比。表6 不同渗硼温度下的渗层比较 The comparation of the boroniding layer under different boroniding temperature编号温度保温时间厚度备注29205h62m渗硼层连续，致密性好68505h32m渗硼层不太连续，致密性差790

40、05h56m渗硼层连续，致密性好 由结果我们不难看出，随渗硼温度的提高，渗层厚度也随之增加。表明温度改变对渗硼速度影响很大， 有试验表明，虽则提高渗硼温度渗硼层厚度也会显著增加，但温度高，时间长，会使Fe2B相中的硼含量增加，以至出现FeB相，增加渗硼层脆性，一般温度要控制在950。本实验所选用的温度在合适的范围内，通过渗层厚度和组织结果，选用920作为该工艺的选用温度。3.7 现场本次实验是在新乡四达有限公司做的，下图是实验时所用的加热设备和硼砂干燥时的照片。 实验所用箱式电阻炉 硼砂经干燥后4 结论（1） 在920的渗硼温度和5小时的渗硼保温时间下，对硼砂型固体渗硼剂中硼砂的加入量分别为1

41、0%、15%、20%的渗层和渗后现象进行了分析，发现硼砂型固体渗硼剂中硼砂的加入量以15%为宜，加入过多会造成渗剂结块严重，石墨的量要与硼砂的量相适应，加入过少也会造成渗剂结块严重。（2） 在920的渗硼温度下对渗硼保温时间分别为4、5、6小时的渗层进行了分析，发现渗硼的保温时间以5小时为宜。时间过短渗层较薄，时间过长，会生成过多的FeB相，加剧渗层脆性。（3） 在5小时的渗硼保温时间下对渗硼温度分别为850、900、920的渗层进行了分析，发现渗硼的温度以920为宜。在一定温度范围内，随着渗硼温度的增加，渗层厚度也会逐渐增加，超过一定温度，会加剧渗层脆性，所以温度以920左右为宜。（4） 综

42、合研究后，本实验的最佳渗剂配比和处理工艺为15Na2B4O7+12KBF4+20% Si3Fe4+20活性碳+30%石墨 +3%NH4Cl，920x5h。参考文献1 张蜀红 刘炳，渗硼工艺研究与应用现状及发展，热加工工艺，36（12）(2007)，69-74.2 章为夷 贡海，硼砂型固体渗硼剂的应用，金属热处理，21（4）（1996），10-12.3 金属材料热处理，郑州，郑州大学出版社, 2003年6月，251-256.4 刘刚 李雪松 吴化 高金芝，钢表面渗硼层结构及性能，电镀与精饰，30（8）（2008），1-4.5 王国阳 王秀敏 王德和，20钢固体粉末法渗硼和硼钒共渗的渗层研究，金属

43、热处理，31（6）（2006），69-71.6 张蜀红 刘炳，渗硼工艺研究与应用现状及发展，热加工工艺，36（12）(2007)，69-74.7 慕东 王渠东 沈保罗，渗硼对钢铁表面组织与性能影响的研究现状，材料导报，23（4）（2009），42-45.8 吴仕式 郭等旺 陈康年 廖培珍 曾洪诗，利用硼砂进行固体渗硼工艺研究 ，华南工学院学报，7（2）(1979),22-30.9 李辉 曹晓明 韩文祥,渗砚层形成机理的探讨,河北工学院学报，21（3）（1992），87-92.10 周虹 孙希琪，硼砂固体渗硼的热力学分析，金属热处理，23（8）（1988），3-11.11 张宏，从渗硼层的结构和

44、性能探讨渗硼的机制，热处理，22（1）（2007），39-41.附件1：毕业设计（论文）任务书课题情况课题名称低碳钢表面渗硼工艺的研究教师姓名吴振卿职称教授学位博士教研室材料成型课题来源A.科研 B.生产 C.教学 D.其它课题类别A.设计 B.论文实施地点材料成型实验室起止时间09年12月-10年6月上机时数指导学生数1对学生特殊要求主要研究内容通过实验研究渗剂中硼砂的用量，以及在什么样的渗硼温度和保温时间下，可以得到比较理想的渗层厚度和均匀组织。目标和要求通过对工艺的研究，得到能得到一定渗层厚度和均匀组织的渗硼工艺。特色近年来研究了以廉价的硼砂作为固体渗硼剂的供硼源，获得了较大的进展大大降

45、低了渗剂的成本。然而有关这类渗剂的性能以及它在生产中的应用的报道还不多见。本文对硼砂型固体渗翻剂的配方及工艺过程作了一定的研究，具有一定的特色和意义。成果形式论文成果价值通过本次研究，对以硼砂为固体渗硼剂的工艺过程有了一定的深入了解，为以后在生产中的应用和发展打下基础。科室审题意见 负责人签字： 2009年12月5日学院审批意见 主管院长签字： 2009年12月5日附件2：郑州大学毕业论文开题报告表院（系）：材料科学与工程学院 类别：论文课题名称低碳钢表面渗硼工艺的研究导师姓名吴振卿职 称教授学生姓名程国兴学 号20060800502专业材料成型及控制工程一 选题意义我所研究的是低碳钢表面渗硼

46、的工艺，因固体渗硼剂因多以碳化翻或硼铁做供硼源，有成本较高的缺点。近年来研究了以廉价的硼砂作为固体渗硼剂的供硼源，获得了较大的进展大大降低了渗剂的成本。然而有关这类渗剂的性能以及它在生产中的应用的报道还不多见。由于渗硼工艺的广泛应用，而且渗硼后的工件硼化物层具有硬度高、耐蚀性、耐磨性好，抗高温氧化性及红硬性优良等优点。本文对硼砂型固体渗翻剂的配方及工艺过程作了一定的研究，因此，选取此课题有很大的意义。二 文献综述 渗硼工艺自诞生至今已有100多年的历史，此间国内外的同行们创造发明了许多渗硼方法，如固体粉末渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼等，其中固体渗硼因具有操作方便、使用设备简单、质量易控制

47、等优点在生产中得到较广泛的应用。众所周知，硼化物层具有硬度高(Fe2B为12901680 HV , FeB为18902 340HV、耐蚀性、耐磨性好，抗高氧化性及红硬性优良等优点;但由于目前渗硼处理的温度较高，渗硼处理后零件的变形较大以及渗层较薄、渗层脆性较大、成本较高等原因，限制了渗硼技术的推广应用，为此国内外的专家学者在此方面做了大量的探索研究，如采取渗硼后获得单相的Fe2B或渗硼后进行真空扩散而得到单相Fe2B，渗硼的共晶化处理及共渗与复合渗等工艺来降低渗硼层的脆性，目前的研究方向主要是降低渗硼温度，多元复合渗硼改善渗层显微组织、显微硬度、脆性和耐磨性，以及渗硼共晶化使渗层与基体呈冶金结

48、合，从而改善以往的渗硼层脆性大、容易剥落等问题.但固体渗硼剂因多以碳化翻或硼铁做供硼源，有成本较高的缺点。近年来研究了以廉价的硼砂作为固体渗硼剂的供硼源，获得了较大的进展大大降低了渗剂的成本。然而有关这类渗剂的性能以及它在生产中的应用的报道还不多见。本文对硼砂型固体渗翻剂的配方及工艺过程作了一定的研究。三 毕业设计（论文）所用的方法 金相观察，并获取金相照片，和显微硬度的测量。四 主要参考文献与资料的获得情况1 张蜀红 刘炳，渗硼工艺研究与应用现状及发展，热加工工艺，36（12）(2007)，69-74.2 章为夷 贡海，硼砂型固体渗硼剂的应用，金属热处理，21（4）（1996），10-12.

49、3 金属材料热处理，郑州，郑州大学出版社, 2003年6月，251-2564 刘刚 李雪松 吴化 高金芝，钢表面渗硼层结构及性能，电镀与精饰，30（8）（2008），1-4.5 王国阳 王秀敏 王德和，20钢固体粉末法渗硼和硼钒共渗的渗层研究，金属热处理，31（6）（2006），69-71.6 张蜀红 刘炳，渗硼工艺研究与应用现状及发展，热加工工艺，36（12）(2007)，69-74.指导教师： 学 生：程国兴 2010年1月10日附件3：毕业设计（论文）计划进程表学生姓名程国兴学号20060800502教师姓名吴振卿职称教授题 目低碳钢表面渗硼工艺的研究周 次工 作 内 容第七学期15-1

50、7周18-21周 查阅文献资料，选定课题，填写开题报告，作好开题准备；完成文献综述和外文翻译。第八学期1-2周3-8周8-9周9-12周13-15周确定实验过程和工艺。按照实验确定的工艺进行实验。对选取的试样进行抛光，观察微观组织，并获取金相照片。分析处理数据，对实验结果进行分析并完成论文草稿。修改论文并答辩。备注各个试验环节要有机协调进行，每个环节要认真完成，避免给下一环节带来麻烦。试验前作充分分析，尽量避免重复性试验。如果由于某些试验条件变化导致试验失败，则及时调整重做。附件4：郑州大学毕业设计中期检查表院（系）：材料科学与工程学院题 目低碳钢表面渗硼工艺的研究导师姓名吴振卿职 称教授学生

51、姓名 程国兴学 号20060800502专 业材料成型及控制工程一、阶段性成果已对本研究中所需要的实验材料进行了截取和制作，并进行了大部分实验，获得了部分实验数据。二、存在问题及解决办法存在问题：1）缺乏实验经验，对实验过程还不够熟悉。2）磨样时导致试样磨偏，表面不平。解决办法：1) 实验前熟悉实验过程，对于不清楚的问题地要及时解决。2) 磨样时要用力均匀，放水平。指导教师： 学 生：程国兴 2009年 5月10日附件5：毕业设计（论文）成绩评定表学院：材料科学与工程学院 班级：材料成型及控制工程06级 姓 名程国兴 学 号20060800502总成绩题目低碳钢表面渗硼工艺的研究指导教师评语评

52、定成绩： 签名： 年 月 日评 阅 人 评 语评定成绩： 签名： 年 月 日答 辩 小 组 评 语答辩组成员签名： 答辩成绩： 组长签名： 年 月 日注：设计（论文）总成绩=指导教师评定成绩（30%）评阅人评定成绩（30%）答辩成绩(40%)外文翻译Plasma paste boroniding treatment of the stainless steel AISI 304半连不锈钢AISI 304的等离子膏剂渗硼处理J.H. Yoona，Y.K. Jee b, S.Y. Leec.*a Department of Materials Engineering, Changwon Natio

53、nal University, Changwon, 641-776, South Koreab Construction Equipment Division, Samsung Heavy Industries, Changwon, 641-110, South Koreac Department of Materials Engineering, Hankuk Aviation University, Koyang, 412-791, South Korea摘要对通过等离子膏剂渗硼法形成的硼化物层的各种表面性能进行了研究。通过等离子膏剂法，在Ar：H2(2:1)的气体混合物和1023到122

54、3K之间几个不同温度的条件下，扁平结构的硼化物层在AISI 304不锈钢的基体上形成。膏剂是由占质量分数30%的硼和70%的硼砂组成的。渗硼层的性能是通过显微维氏硬度计，扫描电子显微镜和电子探针分析仪等来测定。横截面显微组织的由硼化物层，镍丰富层，铬丰富层 基体串联起来组成的，对比传统的渗硼方法，用等离子膏剂渗硼法的硼化物层表面形成时间短。硼化物层表面X射线衍射分析显示了FeB, Ni3B, CrB等的高峰期，而且CrB的比其他的更强烈。此法的硼化物层的形成活化能计算出来为123千焦每摩尔，这是低于常规渗硼的.这些硼化物层（高压）的硬度通过测定在1802000之间。Elsevier科学出版社保

55、留所有权利。关键词：活化能; AISI304不锈钢，硼，硼砂，等离子渗硼膏剂；1、概述AA3003合金近年来， 对表面处理工艺的发展已在广泛的研究，以改善不锈钢在高温高压应用下的磨损和抗氧化性能1。不锈钢可用的表面处理方法包括氮化2，渗碳，等离子涂层，渗硼3。特别是，渗硼是通过渗透和扩散硼到表面形成硼化物层（硬度（HV）在1300至2100之间）的表面处理方法。硼化物层也有出色的耐热性和抗腐蚀性，并且渗硼已应用于改善阀门，燃烧器，喷嘴等的表面性能，当它们在高温高压下暴露在水和油中时。 然而，最近经过改良的渗硼工艺如等离子渗过程4已经广泛的研究，因为传统的渗硼工艺5，如正式盐浴渗硼和气体渗硼会出

56、现如环境污染，毒性，爆炸性性质等问题。等离子渗硼拥有许多优势比传统的渗硼工艺。例如，一个高能源效率期望作为一种等离子高能量的来源被利用在等离子渗硼过程中，而且变形可以被尽量减少，因为加工温度相对低于传统工艺。然而，等离子渗硼进程也有其自身的局限。 BZH6和BC13气体被用来作为硼源气体，但这些气体相对昂贵，而且有毒，有爆炸性。在真空室中通过硼氯腐蚀是另一个严重的问题对等离子渗硼来说。在这项研究中，作为发展一种解决上述提到问题的渗硼工艺的多中尝试中的一种，涉及到用无定形硼和硼砂（Na2B4O7）膏剂的一种简单处理的等离子膏剂渗硼法已经被设计，最佳的等离子膏剂渗硼工艺条件已经进行了调查，由此法形

57、成的硼化物层已有一定特点。2、实验方法本实AISI304不锈钢标本（直径15毫米，厚度，2.5毫米）被用于此次试验。砂纸（1200级）抛光标本试样表面后，干净脱污后的标本被带入实验室，在H2氛围中对标本进行溅射清洗是首先要进行的。在Ar：H2（2：1）的气体环境中，用不同配比的硼和硼砂的混合物做渗硼剂的等离子渗硼处理开始了，要在1023，1073，1123，1173和1223 K几个不同温度下加热长达7个小时。用显微扫描电镜（日立5-2400）研究它的微观结构，在20千伏加速电压下做了电子探针分析。维氏硬度测定使用了0.1公斤力负荷，采用7个读数的平均值。CuK射线衍射仪被用于X射线衍射分析。

58、等离子膏剂渗硼用的器具和其他试验的细节在参考文献6中用描述。3、实验结果及讨论3.1膏剂混合物的比例对硼化物层形成的影响 Fig1 The effect of various ratios of amorphous boron and borax mixturethickness of the boride layer. 图1. 不同配比的无定形硼和硼砂的混合物对硼化物层厚度的影响图.1显示了用不同比例的膏剂渗硼在1123 K温度下保温1.5小时后硼化物层的厚度。观察了用质量分数为20%和70%的硼砂形成的厚硼化物层。而用质量分数为100%的无定形硼形成的任何可测量厚度的硼化物层没有被观察到，这可能归因于在等离子渗硼期间由于无定形硼的高熔点造成的用于表面扩散的活性硼的缺少。当硼砂的质量分数增加到20%时，活跃形成的渗硼层被观察。在渗硼期间，硼原子，B0，是通过膏剂中的硼的氢化物（BnHm）的分解产生的，而且这个硼原子B0变成熔融的硼砂或辉光放电里活跃的硼原子B+1。最后，这个硼原子，B+1，扩散，和铁反应，然后形成硼化物层。用质量分数为30%的硼和70%的硼砂的膏剂形成的硼化物层也被观察，这可能归因于有效的液态电解机制，当随着膏剂中硼砂数量的增加，熔融硼砂的流动性增加的时候。此外，用质量分数40和55%的膏剂，渗硼时比较慢速率被观察，正如图1所示。据