稀土对TC4钛合金固体渗硼的影响研究_衣晓红
氧化钇对TC4_钛合金表面包埋渗硼的影响
第52卷第8期表面技术2023年8月SURFACE TECHNOLOGY·451·氧化钇对TC4钛合金表面包埋渗硼的影响韩宾龙，田晓东，卢鹏军，祁贤（长安大学 材料科学与工程学院 交通铺面材料教育部工程研究中心，西安 710064）摘要：目的加快TC4钛合金表面固体渗硼时渗层的生长，研究渗剂中添加Y2O3对渗硼的影响。
方法采用固体粉末包埋渗法对TC4基材进行1 050 ℃/8 h渗硼，包括渗剂中不添加Y2O3以及渗剂中分别添加质量分数为1%、3%、5%、7%Y2O3的试验研究。
通过扫描电子显微镜、能谱仪、波谱仪和X射线衍射仪分析渗硼样品的截面形貌、元素含量和表面物相，并测量渗硼样品的表面硬度和摩擦系数。
结果在渗剂中加入1%~7%的Y2O3，渗硼层结构与未添加氧化钇渗剂形成的相同，由致密连续的TiB2层和TiB 晶须扩散层组成。
Y2O3促进渗层生长的作用与其添加量密切相关。
渗剂中加入1%~3%的Y2O3有促进渗硼层生长的作用，且加入3%的Y2O3时，催渗效果最佳，可使渗硼层厚度增加40.24%，但加入5%~7%的Y2O3时反而会抑制渗硼层的生长。
能谱分析表明，Y原子能够扩散到渗硼层内，且渗硼层中存在原子数分数为0.01%~0.34%的微量Y元素，其随渗剂中Y2O3含量的增加而增加。
热力学分析发现，Y2O3参与渗剂反应形成活性Y原子而渗入基体。
向渗硼试剂中加入3%的Y2O3，样品的表面硬度较未添加Y2O3时提高35.54%，摩擦系数较未添加Y2O3时降低28.57%。
结论向渗硼试剂中加入适量氧化钇，是获得TC4合金表面高渗速、高硬度和低摩擦系数渗硼层的一种有效方法。
关键词：渗硼；包埋渗；氧化钇；催渗中图分类号：TG156.8+7文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)08-0451-07DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.08.041Effects of Y2O3 on Pack Boronizing of TC4 Titanium AlloyHAN Bin-long, TIAN Xiao-dong, LU Peng-jun, QI Xian(Engineering Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education,School of Materials Science and Engineering, Chang'an University, Xi'an 710064, China)ABSTRACT: In order to accelerate the growth of the boronizing layer on TC4 titanium alloy prepared through pack cementation process, the effects of adding Y2O3 into the pack mixture were investigated. The TC4 matrix was boronized at1 050 ℃for 8 h with the pack mixtures composed of NaF, B and Al2O3 powders with Y2O3 free and Y2O3 addition of 1, 3, 5收稿日期：2022-08-04；修订日期：2023-02-08Received：2022-08-04；Revised：2023-02-08基金项目：大学生创新创业训练项目（X202210710586）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金（300102311403）Fund：The Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students (X202210710586); Fundamental Research Funds for the Central Universities, CHD (300102311403)作者简介：韩宾龙（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为材料表面改性。
稀土元素对钛合金的影响
稀土元素原始合金原始合金中各个组分的含量添加稀土元素的含量稀土元素的添加方式稀土元素在合金中的存在形式稀土元素对原始合金的性能影响Y Ti600 Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si0.1%Y Al-Y中间合金高温工作温度可达600℃;室温抗拉强度1068MPa;屈服强度1050MPa;延伸率11%;Ti-6Al-3Sn-3Zr-0.5Mo-0.35Si0.3%Y Al-Y中间合金以Y2O3的形式存在于晶内和晶界细化合金晶粒尺寸；氧化表面均匀、致密、平整，氧化物颗粒细小；0.3%Y 的添加促进了致密的Al2O3保护层的形成，改善了合金的抗氧化性；加入Y后，合金的流动性由于原始合金；硬度值由373.7提高到471.3，压缩强度由1764MPa 增加到2083 MPa，提高了319MPa，而屈服强度和压缩率也有所提高TC4 Ti-6Al-4V 0.02%；0.1%；0.038%Y2O3(0.03%Y)；0.3%Y；0.075%Y2O3(0.06%Y);0.114%Y2O3(0.09%Y)金属Y、Y2O3Y2O3 加入0.02%Y（0.1%Y）时，合金晶粒平均直径由0.52mm减小至0.062mm（0.0222mm）；加入Y或Y2O3都可以使合金的晶粒尺寸变小，延伸率增大至近1倍，抗拉强度由855MPa最高增加至896MPa工业纯钛0.022%；0.049%；0.059%；0.116%Y金属Y（99.9%）加入稀土元素Y后峰温向高温移动,峰高下降。
IMI829 Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si0.2%Y Al-Y中间合金Y的氧化物加Y厚，可细化合金显微组织和晶粒；在合金中由弥散的沉淀小颗粒物；室温抗拉强度为996.7MPa，相比加Y前有所下降；热处理后具有550℃高温蠕变性能。
Ti-14Al-21Nb 0.1%Y Al-Y中间合金加Y厚，可细化合金显微组织和晶粒；在合金中由弥散的沉淀小颗粒物；热处理后700℃、800℃的高温力学性能都很好。
TC4钛合金硼碳共渗层的组织和性能研究
摘 要 ： 通过在９ ０ ０气 ： 进 行 固体渗 碳 １ ０ ｈ ， 后 于９ ５ ０ ： （ 低于 １ ３转 变温度 ） 在 由供 删 刊 （ ： 和 无水
Ｉ ＜ Ｉ Ｉ ） 、
催化 剂氧化镧 以及一 定量 石墨 组 成的 介质 中进行 固体渗 硼 １ ２ ｌ ｌ ＇ 在Ｔ （ ４钛合 金试 佯表 面制 备 了驯 碳 共渗 层 检 测 了渗 层的形 貌 、 相组 成 、 亲 水性 、 硬 度 和 耐 悼擦 磨损 性 能 结 粜 表明 ， 渗层 Ｉ Ｔ ｌ ｌ ｛ 、
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Ｔ Ｃ ４钛 合 金 硼碳 共 渗 层 的 组 纵 禾 ¨ 性 能研 究
张 毅 ， 缪 强 ， 梁文萍 ， 杨振 刚 ， 宋有删
（ 南 京航 空航 天 大 学 ｌ ｝ 寸 ¨ ¨ 学 与枝 长学 院 ． 江 南 京 Ｉ ｌ Ｉ ｏ ｏ ）
Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ｉ ， ＭＩ Ａ ｔ ） Ｑ ｉ ａ ， ｌ ｇ ，Ｉ Ｊ Ａ Ｎ （ 、 、 Ｏ ｌ ｌ ｌ ｝ ｉ ｉ ｌ ｇ ，、 ｒ １ 、 Ｎ （ ； Ｚ ｌ ｌ ｃ ｎ ｇ ａ １ ］ ｏ － ， （ ｉ Ｎ （ 、 Ｉ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ １ Ｐ 『 １
（ （ （ ｉ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ｛ ｉ ｌ Ｍａ ｌ ｍ’ ｉ ａ Ｉ ｓ Ｓ （ ・ ｔ ｅ ｎ ｛ ・ Ｐ ａ ｌ １ Ｉ Ｉ Ｔ ¨・ Ｉ １ Ｉ Ｉ （ ｄ ｏ ｇ ３ ，Ｎ ａ ｎ ｉ ｉ ｌ １ ｇ Ｌ Ｉ Ｉ ｉ ｘ ｔ 、 Ｉ Ｓ ｌ ’ 【 、ｆ Ｉ ｒ Ａ ｔ ｉ ’ Ｏ ｌ Ｈ ｌ ｌ ｌ ｔ ｉ ｌ ｌ （ Ｉ
Ａｓ ｌ ｍｕ ｌ ｌ ｛ ｓ ， 川１ ｉ ｉ Ｉ ｌ ｇ！ Ｉ １ １ ０ ０，Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ（ ： ｌ ｉ ｔ ／ ）
稀土催渗下的20MnSi钢渗硼工艺研究
图１ 稀土 一硼共渗下典型硼化物层金相组织
Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｙ ｐ ｉ ｅ ａ ｌ ｒ ａ ｒ ｅ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｓ —ｂ ｏ ｒ ｏ ｎ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ
图 ２是 ２ ０ Ｍｎ Ｓ ｉ 钢稀 土 一硼 共渗 形成 的 硼化 物层
先将 ２ ０ Ｍ ｎ Ｓ ｉ 钢试样 与 混合 好渗 硼 剂一 同置 于密 封 的不锈钢圆罐 内， 再 将渗 罐放 人 中温箱 式 电阻 炉 内 进行 不同渗硼温度 和不 同渗 硼 时间 的渗硼 处理 ， 渗硼
温度为 ８ ５ ０ ａ Ｃ、 ８ ８ ０ ℃、 ９ １ ０ ｏ Ｃ、 ９ ４ ０ ｏ Ｃ， 渗硼时 间为 ２ ｈ 、 ４ ｈ 、
硼层组织特 征是 相似 的。对 于硼化 物层 相组 成 ， 一般
观点认为 主要 由 Ｆ ｅ Ｂ和 Ｆ ｅ Ｂ两相 组 成 ， 也有 由 Ｆ ｅ Ｂ 单一相 的相关报 道 ， 而稀 土元 素在 渗 硼层 中是 以固溶
能 。 。 。郝少祥等 研究 了 Ｃ ｒ 。 ： Ｍ ｏ Ｖ钢 固体 硼 一 稀土 共渗 ， 认 为稀土元 素可显著 提高渗 硼速 度 ， 并且硼 一 稀
５ ｈ 、 ６ ｈ ， 随后进 行淬 火 ＋低温 回火。金相 组织观察 及分
析在 Ｔ Ｇ ３ ０ ０ ０型金相显微 分析系统上进行 。 ３ 结果与分 析 ３ ． １ 渗层组成 物
组织 的 ｘ一 射线衍射 （ Ｘ Ｒ Ｄ） 分析结果。可以看 出 ， 在ｘ
一
射线衍射曲线上 只出现单 一相 Ｆ ｅ Ｂ的特 征峰 ， 说明
土共渗 比单一渗 硼 的渗 硼层 硬 度 、 耐 磨性 等 性能 显著
提高 。王丽凤等 在对 ４ ０ Ｃ ｒ 钢硼 一稀 土 共渗 的 组织
钛及钛合金渗硼的研究现状与反应机理
钛及钛合金渗硼的研究现状与反应机理李凤华;王丽娜;衣晓红;樊占国【摘要】钛合金表面渗硼可极大地提高钛合金的耐磨性能.本文综合阐述了国内外钛及其合金表面渗硼的研究现状,探讨了固体渗硼法中表面渗层形成机理与硼钛化合物的生长动力学.基体组织、渗剂组成、渗硼温度、氧分压等因素会影响渗硼层结构.在接近β转变点的温度条件下,可能获得较厚的渗硼层.双相结构中的TiB与TiB2层的厚度d与时间t的关系分别满足Fick扩散第二定律d2=K·t.【期刊名称】《材料与冶金学报》【年(卷),期】2013(012)003【总页数】6页(P212-217)【关键词】钛合金;硼钛化合物;固体渗硼;生长动力学;扩散机理【作者】李凤华;王丽娜;衣晓红;樊占国【作者单位】东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TG156.87钛及其合金因密度小、比强度高、耐腐蚀性强、无磁性、生物相容性好等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、冶金、生物医学等领域.然而，钛及其合金的表面硬度低、摩擦系数高，极易形成黏着磨损及接触疲劳裂纹，严重限制了其应用范围.钛合金约80%的机器零件失效是由摩擦磨损引起的［1］.为了提高其耐磨性，国内外的科研工作者作了大量的研究，电镀、化学镀、热喷涂、化学热处理、气相沉积、离子注入、表面氧化处理、激光表面合金化等各种表面工程技术均被用于钛合金的表面强化处理.化学热处理如渗氮、碳、硼等可以在钛合金表层形成的钛的金属间化合物，该类硬质相能显著提高其表面硬度和耐磨性［2～4］.由于Ti与B反应形成的化合物TiB2既具有陶瓷材料的高熔点、高硬度、高强度等特点，又具有金属材料的高导电、高导热等优良特性，可显著改善钛合金的耐磨性及其他表面性能.另一钛硼化合物TiB具有针状形貌，是钛基复合材料时常用的纤维增强体之一［1］，还可通过弱化金属与陶瓷热膨胀系数的不匹配，作为钛基梯度材料的梯度配合化合物，使之具有相对较低的残余应力和较高断裂韧性［2］.因此，渗硼是提高钛及其合金表面耐磨性较经济而有效的手段之一.1 钛及其合金表面渗硼现状目前已获知的国内外钛及其合金表面渗硼的研究起步较晚，大多侧重于硼钛化合物的微观形貌及摩擦学行为，主要研究结果及其参考文献如表1所示.表1 国内外钛及其合金表面渗硼的研究现状Table 1 Research status for the boronizing of titanium and its alloys at home and abroad作者渗硼方法基体渗层组成硬度Brandstötter J and Lengauer W［3］固体粉末法 TiTiB2+TiB —Kaestner P et al.［4］等离子辅助法 Ti，Ti6Al4V TiB2+TiB 2 800 HK Tsipas D N et al.［5～7］流化床法 Ti，Ti6Al4V TiB2+TiB 1 925 HV Aich S and Ravichandran［8］固体粉末法 Ti TiB 550 HV Prytula et al.［9］固体粉末法 Ti TiB2+TiB 1 440 HV Tikekar et al.［10］固体粉末法 Ti6Al4VTiB2+TiB 3 200 HV Erdem Atar et al.［11］固体粉末法 Ti6Al4V TiB2+TiB 2000 HV He L J et al.［12］固体粉末法 Ti TiB+TiB2+TiC 820 HV贾宝平，贺跃辉，汤义武等［13］固体粉末法 Ti TiB2 —詹科［14］双层辉光等离子法Ti6Al4V FeB+α-Ti+β-Ti(FeB供硼剂)1 700 HK郭纯，周健松，安宇龙等［15］激光合金化法 Ti TiB2+TiB+TiN+TiN0.3+Ti+TiO2 1 600 HV衣晓红，李凤华，樊占国等［16］固体粉末法 Ti，Ti6Al4V TiB2+TiB 2 200 HV Sarma B et al.［17］固体粉末法 Ti TiB2+TiB ＞3 000 kg/mm2从表1中可以看出:(1)渗硼方法有多种，如固体粉末法、等离子辅助法、流化床法、激光合金化法、双层辉光等离子法等.其中固体粉末法因具有工艺简单，可控度高、渗层致密度高、与底材结合强度高和沿厚度方向分布均匀等优势得到较多的应用.(2)在Ti6Al4V(TC4)表面渗硼层一般为TiB2+TiB双层结构.在纯Ti表面渗硼层可能为单层的TiB或TiB2，也可能形成TiB2+TiB双层结构，说明渗硼层的相组成与基体组成、渗硼剂组成、渗硼温度、恒温时间等条件有着密切的关系.表层同样为 TiB2的样品，性能却存在较大的差异.本课题组新型粉末渗硼剂［16］，在空气条件下即可对TC4钛合金进行高温固体渗硼实验，可在钛合金表面形成与基体连接紧密的双相硼化物层.其中采用硼稀土共渗技术在提高TC4的表面性能上也取得了显著成效:钛合金表面硬度从原来的(330 ～350 HV0.01)提高到(表层 TiB2-3 300～内层 TiB-1 800 HV0.01)，摩擦系数降低2倍以上［18］.2 钛-硼的界面反应机理图1为Ti-B二元体系相图，可以看出存在3种硼钛化合物TiB、Ti3B4、TiB2等，对应的硼含量(质量分数，%)分别为 18 ～18.5，22.4 和30.1～31.1.研究工作者普遍认为钛合金表面渗硼后不会形成Ti3B4相，并可能存在着以下3种化学反应:图1 Ti-B系平衡相图Fig.1 Ti-B system equilibrium phase diagram渗硼层的结构与基体、渗硼剂、温度、时间等因素关系密切，其中几种有代表性的渗硼层的形成机理讨论如下.2.1 纯钛表面单层TiB晶须的形成机理Aich S［8］将工业纯钛填埋在渗硼剂无定形硼+碳酸钠+活性炭的混合物里，在800～1 000℃下保温1～24 h，纯钛表面形成了较长TiB晶须.Aich S计算并比较了部分含钛金属间化合物的生成自由能，如图2所示.图2 Ti化合物的计算生成自由能［8］Fig.2 The calculated ΔG0of formationfor Ti compounds可以看出，TiB2的生成自由能是最负的，而由于反应(3)的自由能也为负值，因此Ti可与TiB2进一步反应生成TiB.这意味着在富B侧，只要B在反应区的平均质量分数小于18%～18.5%，B与Ti首先反应形成 TiB2，并最终转化为TiB.因此，在基体Ti含量过量的情况下，形成了TiB晶须而非TiB2.其中一个有趣的现象是，在基体中间位置的原β晶界处发现网状TiB晶须.Aich S认为纯钛表面TiB的生长动力学与块状复合材料内部形成的TiB晶须相似，渗层厚度d与时间 t的关系满足 Fick扩散第二定律d2=K·t.而TiB的厚度与形貌取决于B的扩散特性和TiB的晶体结构.晶须的生长方向多平行于［010］TiB，由于TiB晶胞中B原子的连续之字形排列，以及B-B键在［010］方向上具有较大密度，B沿［010］TiB方向的一维扩散速率远远高于Ti在TiB中的反向扩散速率.部分研究［19］认为，TiB的生长取向与α-Ti基体之间存在如下关系:(100)TiB‖(0001)Ti;［010］TiB‖［1120］Ti.该研究还发现渗层厚度并不随着温度的升高而增加，而是在接近相变温度时存在最大值，较高温度1 000℃下渗硼获得的晶须短而粗.2.2 纯钛表面双层结构TiB2+TiB晶须的形成机理上述Aich S关于在β相变温度附近渗层最厚的发现被Tikekar N M［20］证实，发现900℃时(接近β转变温度913℃)，TiB晶须最长.Tikekar N M研究了在α和β相温区(850～1 050℃)内纯钛表面双相渗硼层的生长动力学，认为钛表面首先形成TiB晶须，随着硼原子的不断增多，进而形成较薄的TiB2连续层;双相渗层不断向里生长，同时TiB晶须也横向生长，使晶须变粗，如图3所示.他通过测量计算拟合认为，在α和β相温区，TiB与TiB2的生长动力学分别满足传统的扩散动力学，在接近于β转变温度时渗硼层的生长速率较大，似乎并不适合传统的扩散控制的传输动力学.2.3 Ti基复合材料中TiB2+TiB晶须的形成机理Fan Z等［21］研究了Ti-6Al-4V薄片与涂有C/TiB层的SiC纤维间的扩散行为，发现主要反应产物为TiB晶须，反应初始阶段存在TiB2过渡相.Fan Z采用了Dybkov V的多相反应产物的固态扩散模型［22］(如图 4所示)，认为 TiBx-Ti界面存在二步反应，第一步为B扩散经过TiB2层，在TiB2-Ti界面存在着如方程式(4)的反应，第二步B扩散经过TiB晶须，在TiB-Ti界面与Ti原子反应，如方程式(5)所示.Fan Z分别计算了B在TiB2与TiB层中扩散系数与在870～970℃温度范围内，TiB晶须的生长速度是TiB2的六倍，B原子在TiB和TiB2内为空位扩散，而由于B在［010］TiB和＜1100＞TiB2方向上具有较低的扩散激活能，分别得到一维结构和二维网络结构.虽然 B在［010］TiB和TiB2内的扩散激活能近似，均约187～190 kJ/mol，在［010］TiB 方向上的预测扩散系数是在TiB2中的45倍. Sahay S S 等［23］将 Ti与 TiB2粉末按不同体积配比混合、热压并烧结后，在Ti基体中形成了TiB晶须，其中晶须的形貌与TiB2粉末原始含量有关，如图5所示:当TiB2的体积分数φ(TiB2)相对较低时，TiB为随机取向孤立的长针状晶须(图5(c))，TiB2体积分数φ(TiB2)较高时，TiB晶须变得更粗更长且密集.图3 硼钛化合物层形成过程图Fig.3 Formation process of B-Ti compound layers图4 A与B元素间AnBm层生长的扩散反应模型示意图Fig.4 Schematic illustration of the diffusion reaction model for the growth of an AnBm layer between elements A and B对于只形成了单层TiB晶须的现象，我们认为可采用Dybkov V的理论的薄膜扩散偶［24］模型来解释，即:二元扩散偶A和B有一个或全部为“薄”的，这里“薄”的意义是当首先形成的相(TiB)还没有长大到能使第二相(TiB2)开始生长，某原始扩散组元(B原子或Ti原子)就已耗尽.一般说来Ti作为基体，具有足够的反应物质，因此只形成单层TiB晶须的原因为B原子参与反应的量不够，或硼势较低，2.1节的具体情况是，Aich S采用了无定形B、Na2CO3和炭(活化)作为固体渗硼剂，而Elias Jelis等以B4C为供硼剂，KBF4为活化剂，Al2O3为填充剂，在TC4表面也只得到TiB渗硼层，说明该二种渗剂能够提供的活性硼原子较为有限. 2.4 Ti-B4C扩散偶界面TiB2+TiB的形成机理唐建新等［25］通过热力学计算结合Ti-B-C的等温截面图分别获得了Ti，B和C 在1 600℃的化学势稳定图，在满足热力学和质量守恒条件下利用化学势从高向低扩散的原理，预测了在1 600℃等温等压时Ti和B4C之间发生化学反应时可能存在的反应路径，利用Ti-B4C扩散偶实验，通过层层剥离样品表面的X射线分析证实了该温度条件下的反应扩散路径为:Ti/TiCx/TiB/TiB2/B4C.该实验说明若以B4C作为供硼剂，除了B原子，C原子也会扩散与Ti发生反应生成TiCx，这与钛合金表面渗硼只形成钛硼化合物不符，因此有必要对渗硼剂在高温下产生活性硼或碳原子的机理进行深入探讨，其难点在于差热分析较难模拟实际的工作条件.唐建新对摩尔比n(Ti)∶n(B4C)=3∶1的Ti、B4C混合物进行了差热分析，结果表明，高于800℃时开始出现放热峰，说明金属Ti开始和B4C发生化学反应，并持续放热，在1 080℃左右峰达到最高，认为此时Ti和B4C的反应最剧烈.分析认为依次有以下反应发生:图5 Ti-TiB复合物中TiB晶须的生长形貌示意图［23］Fig.5 Schematics diagram development of TiB whisker morphologies in Ti-TiB composites(a)～(c)—初始基体中TiB2颗粒含量较少(φ(TiB2)≈10%)的情况;(d)～(f)—初始基体中TiB2颗粒含量为临界值(φ(TiB2)≈29%)的情况3 结语多种表面工程技术可在钛及其合金表面获得硬质的TiB渗硼层.在固体粉末渗硼法中，由于实际操作基体、渗剂组成、渗硼温度、氧分压等差异较大，在钛及其合金表面可能获得不同的渗硼层结构.在接近β转变点的温度条件下，可能获得更长的TiB晶须，说明基体组织对于渗层结构影响较大，其中的机理有待进一步深入研究.如果获得了双相的产物，TiB层与TiB2层的厚度d与时间t分别满足Fick扩散第二定律d2=K·t.参考文献:［1］ Kobayashi M，Funami K，Suzuki S，et al.Manufacturing process and mechanical properties of fine TiB dispersed Ti-6Al-4V alloy composites obtained by reaction sintering［J］.Mater Sci and Eng A，1998，243:279-284.［2］ Quast J P，Boehlert C J，Gardner R，et 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稀土对一种固体渗硼剂渗硼动力学的影响
摘
要 ： 用 固体 粉 末法对 ４ Ｍｎ 进行 渗硼 试验 ， 析 了稀土 元 素对该 固体 渗硼 剂渗硼 动 力 学的影 响 ， 采 ０ ２钢 分 结 果表 明 ， 稀土 能使硼 的扩 散 系数增 大 ５％ ， 硼 的扩散 激 活能 降低 ４ ２ ．１Ｊｍ ｌ有效 地提 高 了渗 ９ 使 ５ ０３ ／ ｏ，
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试验研 究 ～
稀 土 对 一 种 固体 渗 硼 剂 渗 硼 动 力 学 的影 响
徐
（ 、 山大学里仁 学院， １燕 河北 秦 皇岛
进 朱 ，
坤
０ ６０ ） 燕山大学 电气工程学院 ， 河北 秦皇 岛
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｐａ ｋ ｂ ｒ ｎ ｚｎｇｏ ０Ｍｎ ｔ ｅ ｓｅ ｐ ｒｍｅ ｔｚ ｄ、Ｅｆ ｃ ｆＲＥ ｎ ｂｏ ｏ ｉｉ ｇ ｋ ｎ ｔ ｓｏ ｈ ａ ｋ ｂ — ｔａ ｔ ｃ ｏ ｏ ｉｉ ｆ４ ２ ｓｅ ｌｗａ ｘ ｅ ｉ ｎ ｉｅ ｆ ｔｏ ｅ ｏ ｒ ｎ ｚｎ ｉ ｅ ｉ ｆｔ ｅ ｐ ｃ ｏ ｃ ｒ ｎ ｚｎ ｇ ｎ ｓ ａ ｌ ｚ ｄ． ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｗｅ ｈ ｔ ｔ ｅ ＲＥ ｏ ｉｉ ｇ ａ ｅ ｔｗａ ｎａｙ ｅ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｄ ｔ ａ ｈ ｗｏ ｌ ｎ ｒ ａ ｅ ｈ ｄ ｆ ｉｎ ｃ ｅｆｃｅ ｔｏ ｏ ｏ ｙ ｕ ｄ ｉ ｃ ｅ ｓ ｔｅ ｉ ｕｓｏ ｏ ｆｉ ｉｎ ｆｂ ｒ ｎ ｂ ｆ
对 渗硼 的影 响 的研 究 不 断 深 入 与 发 展 ， 已逐 步地 并 应 用于生 产 中， 而 人们 对 稀 土 在 渗 硼 过 程 中的作 然
测量 渗层 深度 ， 根 据公 式 Ｄ＝Ｄ ｅｐ 并 ｏｘ ［一Ｑ （ ） ／ ］ 计算 硼 的扩 散 激 活 能 Ｊ其 中 Ｄ 为 扩 散 系 数 ， 为 ，
稀土元素对渗硼层显微硬度、耐磨性能的影响
新 材 料 ・新 工 艺
洗 思 雯 ： 土 元 素 对 渗 硼 层 显 微 硬 度 、 磨 性 能 的 影 响 稀 耐
稀 土 元 素 对 渗 硼 层 显 微 硬 度 、 磨 性 能 的 影 响 耐
沈 思 雯 宋 月 鹏： 冯 承 明：
・
１ ・ ３
维普资讯
山 东 农 机
２ ０ ０ ２年 ８月
Ｎ ｏ．５ Ａ ｕｇ．． ００２ ２
２０ ０ ２年 第 ５期
Ｓｈａ ｎｄｏｎ Ａ ｇｒｃ ｔ ａｌ ａ ｇ ｉｕｌｕｒ Ｍ ｃｈｉ ｙ ｎｅｒ
渗 剂 中 的稀 土 元 素 含 量 对 其 渗 层 的 显 微 硬 度 的 影 响 较 大 。在 一 定 范 围 内 ， 稀 土 含 量 的增 加 ， 渗 随 共 层 的显微硬度呈直 线上升趋势 ， 斜率不 大 ， 但 当渗 剂 中 加 入 过 量 的稀 土 时 ， 而 会 降 低 渗 层 的硬 度 。 反
图 １ 自动 加 料 装 置 结 构 简 图 １ ．软 管 ２ ．专 用 开 关 ３ 流 量 刻 度 ４ 弯 头 ５ ．导 管
前 相 比 有 了 很 大 提 高 ． 为 重 要 的 是 节 省 了添 加 原 更
料， 降低 了生 产 成 本 。 推 广 应用 到 前 处 理 工 艺 的 其 经 它工序 中， 同样 取 得 显 著 的 效 果 。 总之 ， 装 置 实 现 该
渗 硼层 的 显 徽 硬 发 、 磨 性 的 影 响 。 耐 ２ 稀 土 元 素 对 渗 硼 层 显 微 硬 度 的 影 响
渗 硼工 艺 在 工 件 表 面形 成 的 硼 化 物 层 具有 硬度
高 、 旁 性 好 、 高 温 氧 化 性 优 良 等 特 点 ， 广 泛 应 耐 抗 被 用 于 工 模 具 及 耐 磨 件 的 热 处 理 工 艺 上 。 但 该 工 艺 也
稀土复合渗硼工艺的应用研究
２ ０ １ ３年 １ ２月
赤 峰 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｆ ｅ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
土的加人得到提高 ，并且材料的表面质量强化 以及 材料 表
面得 到净 化 ， 如果这样可 以使得材料表 面的组织分布均匀 ， 力学性 能得到提高 ， 生成稀土化合物 ， 同时还可消 除分 布在 晶界上有害的微量杂质元素 ， 以起 到强化 、 稳定材料 表面晶
在 渗硼工艺过程 中， 需 要加入稀土元素进行稀 土共渗 ， 结果可 以显 著改善渗硼层的组织结构 ，渗 硼层厚度也相 应 地增加 ， 分析认 为主要 与加 入稀土元素有着某种联 系 ， 稀 土 元素有利 于渗硼剂的分解以及加快硼元素在渗 硼零件 的界 面 吸附和扩散 ， 促进渗 硼反应 的进行． 经过研究 ， 稀土元素 之 所 以能够促进渗 硼剂的分解 ，主要是 因为稀 土与氧化硼之
３ Ｒ Ｅ＋Ｂ Ｆ ３ － － － ￣ ３ Ｒ Ｅ Ｆ＋【 Ｂ ］ （ １ － ４ ）
渗硼是在 渗硼零件表面形成硬质 的渗 硼层 ，利用硼原 子 的活性特性 实现 硼元 素扩散至零件表面 的一 种表面热处
由于稀土元素有着特殊 的物化特性 ，材 料表面可 以通
理工 艺 ， 渗硼后 的硼化物层兼 有表 面耐磨性好 、 耐蚀性佳 、 材料硬度 高， 抗高 温氧化性和优 良的红硬性等特 点 ， 从而提 高材料的表面性 能． 大量实验研究针对渗硼层 的表 面性 能 、 产生机理 、 制备工艺参数设定及工程应用进行 了研究 ， 使渗 硼工艺成 为零 件表 面强化 的有效手段［ 渗 硼理论 的发 展主 要通过两个方面来实现 ： 一是探讨硼化物形成 相关的机理 、 机制分析 ， 二是分析渗硼所产 生的活性 中心 的物 理化学反应
稀土添加剂对感应加热渗硼的影响
Ｏ 引 言
渗硼方式分为气体渗硼、固体渗硼、熔融盐浴渗硼 、电解渗硼及 电化学渗硼等 Ｊ ．Ｆ ｅ — Ｂ的共 晶温 度较低 （ 约１ １ ６ １ ｏ Ｃ） ，渗 硼温 度一 般 为 ８ ５ ０～１ ０ ５ ０ ｏ Ｃ［ ３ ３ ．硼化 物具 很高 的硬 度 和化学 稳定 性 ，金 属和合金渗硼能提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性 ，特别是提高金属和合金钢的耐磨能力．单一渗硼的 渗硼层存在着脆性大、渗层薄、组织结构不致密 、硬度下 降快等缺点【 ４ ］ ．降低渗硼脆性有效 方法是 共晶渗硼，并得到软硬相配的组织 ，取代通过普通渗硼得到的由硬相组织的连续硼化物层 ，但若在炉
ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ｇ ｌ ａ ｎ ｈａ ｔ ｎ ｕ ｍ ｃ ｈ ｌ ｏ ｒ ｉ ｄ ｅ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｓ ｔ ｅ， ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｒ ｏ ｎ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ｓｅ ａ ｂ ｙ ｍｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ １ ０ ％ ，ａ ｎ ｄ
稀土元素对固体渗硼层的改性作用
稀土元素对固体渗硼层的改性作用曹晓明 温 鸣 韩文祥(河北工业大学金属材料科学与工程系 , 天津 300130)王 润 龙 义(北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 100083)通过研究渗硼层厚度 、脆性 、表面含硼量 、表面形貌的变化及耐锌液腐蚀的性能 , 充分证实了稀土元素对改善渗硼组织有明显作用 。
结果表明 , 改性渗硼组织的耐锌腐蚀寿命大幅度提高 , 将其制成 测温热电偶用于工业生产 , 耐锌液腐蚀寿命达半年之久 , 为解决热镀锌设备的腐蚀问题提供了一种有 效方法 。
关键词 : 稀土 , 渗硼 , 锌 , 腐蚀 , 脆性钢铁渗硼后具有很高的硬度和耐蚀性 , 但由于渗硼层的脆性和缺陷 , 大大影响其应 用 , 例如在液体锌中表现出较差的耐蚀性 。
如果能提高渗硼层的韧性 , 改善渗硼组织 , 则 会有效提高其使用价值 , 扩大应用领域 。
本文通过在渗硼过程中加入稀土元素使渗层组织 致密 , 韧性提高 , 耐锌液腐蚀性较前提高 3 倍 。
1 实验方法利用表 1 的工艺对 45 钢样品实施固体渗硼 , 稀土元素是以合金方式加入渗剂中 , 并选 用适当的催化剂 , 以提高稀土合金的分解率 。
然后对样品进行各种性能测试 : 用压痕法测 试渗硼层的脆性 , 用扫描电镜观察样品的表面形貌 , 用离子探针测表面相对硼浓度的分 布 。
在 500 ℃液锌中进行静态耐蚀试验 。
表 1 固体渗硼工艺 (960 ℃×8 h )c B C / % ( wt ) c K BF / % ( wt ) c NH BF / % ( wt ) c 3 3 3 样号Ce 合金/ % ( wt ) 渗层厚度/μm 脆性级别 4 4 4 4 1 2 10 10 8 8 0 2 0 4 225260 6 23 10 8 3 8 265 13 Ce 合金成分 ( %) : Ce 48 , Th 13 . 75 , L a 8 . 23 , F 3 . 3 , Fe 25 . 45 , S 0 . 2 , P 0 . 62 , Si 0 . 72 ;3 3 载荷 : 200 g , 距表面距离 : 25 μm2 实验结果与分析2 . 1 渗层厚度实验结果表明 , 渗剂中稀土元素含量对渗层厚度的影响随渗硼温度不同 , 结果完全不同 。
钛及钛合金渗硼技术的发展
钛及钛合金渗硼技术的发展
潘婷;樊新民;周旸
【期刊名称】《热处理》
【年(卷),期】2014(000)002
【摘要】介绍了近年来研发的提高钛及钛合金表面硬度和耐磨性的渗硼方法，包括气体渗硼、液体渗硼、固体渗硼、膏剂渗硼和等离子渗硼等。
讨论了上述渗硼方法所获得的渗层的显微结构和性能及其应用范围。
比较了各种渗硼方法的特点。
展望了钛合金渗硼技术的发展和应用前景。
【总页数】7页(P27-33)
【作者】潘婷;樊新民;周旸
【作者单位】南京理工大学材料科学与工程学院，南京 210094;南京理工大学材料科学与工程学院，南京 210094;南京理工大学材料科学与工程学院，南京210094
【正文语种】中文
【中图分类】TG156.8
【相关文献】
1.钛及钛合金渗硼的研究现状与反应机理 [J], 李凤华;王丽娜;衣晓红;樊占国
2.模具钢在假液化层内扩散渗硼、渗硼铜和渗硼铬 [J], 李良福
3.钛合金固相渗硼-稀土渗硼机理研究 [J], 许贞元;原慷;张思源;彭浩然;张鑫;周恒;衣晓红
4.LS_I渗硼剂渗硼中硼的扩散激活能 [J], 贲永志;谌岩
5.20钢固体粉末法渗硼和硼钒共渗的渗层研究 [J], 王国阳;王秀敏;王德和
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硬质合金稀土固体渗硼工艺研究
硬质合金稀土固体渗硼工艺研究艾国平;左杨平;蔡文俊;卢文壮【摘要】Due to the strenth and toughness of cemented carbide it is widely used in industry. The boronizing process can be used to improve the hardness and wear resistance because of the hardened layer on the surface.A study of the pack boronizing process is made. The phase and thickness of the boride layer are analyzed by XRD and metal oscope. The effects of Co content, boronizing temperature, boronizing time and boronizing agent on the thickness of the boride layer are investigated. The results show that the thickness is affected by al the process parameters. RE element can activate the boronizing.%硬质合金具有较好的强度和韧性，在工业领域中应用广泛。
通过固体渗硼工艺在硬质合金表面形成一层硬化层，能提高其硬度和耐磨性。
对YG类硬质合金进行了稀土固体渗硼试验，采用XRD和金相显微镜观察渗硼层物相和厚度，研究了硬质合金Co含量、渗硼温度、渗硼时间和渗剂配方对渗硼层厚度的影响。
结果表明，各种工艺参数均对渗硼层厚度有不同程度的影响，稀土元素具有催渗作用。
【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】3页(P28-30)【关键词】硬质合金;稀土;渗硼;厚度【作者】艾国平;左杨平;蔡文俊;卢文壮【作者单位】南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG146硬质合金是一种由难熔金属的硬质化合物(过渡族难熔金属碳化物，如WC、VC、Cr3C2、TaC和NbC等)和粘结金属(铁族元素，如Co、Fe和Ni等)通过粉末冶金的方式制成的合金材料[1]。
稀土元素对固体渗硼层的改性作用
稀土元素对固体渗硼层的改性作用
曹晓明;温鸣;韩文祥;王润;龙义
【期刊名称】《中国稀土学报》
【年(卷),期】1997(15)4
【摘要】通过研究渗硼层厚度、脆性、表面含硼量、表面形貌的变化及耐锌液腐蚀的性能，充分证实了稀土元素对改善渗硼组织有明显作用。
结果表明，改性渗硼组织的耐锌腐蚀寿命大幅度提高，将其制成测温热电偶用于工业生产，耐锌液腐蚀寿命达半年之久，为解决热镀锌设备的腐蚀问题提供了一种有效方法。
【总页数】4页(P350-353)
【关键词】稀土;渗硼;锌;腐蚀;脆性
【作者】曹晓明;温鸣;韩文祥;王润;龙义
【作者单位】河北工业大学金属材料科学与工程系;北京科技大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG156.87
【相关文献】
1.稀土元素对45钢固体渗硼催渗作用的研究 [J], 杜华伟
2.稀土元素对钢的固体渗硼催渗作用的研究 [J], 吴成国;杨玉林
3.稀土元素对固体渗硼催渗作用的研究 [J], 徐新德;吴学兰
4.稀土元素,对固体渗硼催渗作用的研究 [J], 徐彰德;吴学兰
5.稀土元素对45钢固体渗硼的催渗作用 [J], 童锡勇;李凤华;李长业;樊占国
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将 TC4 钛合 金进 行 预 处理: 除 油 - 水 洗 240# , 400# , 600#, 800# , 1000# , 1500# , 2000# 号砂 纸打磨 - 机械抛光 - 丙酮超声清洗, 然后与渗剂 密封 置 于 刚玉 坩 埚中, 外 部 用 粘结 剂 密 封, 经 100 烘干后放入管式炉内, 于 1000, 1050, 1100 分别保温 5, 10, 15, 20 h, 冷却方式为空冷。
摘要: 采用稀土 硼共渗法对 TC4 钛合金基体表面在 1000, 1050和 1100 分别保温 5, 10, 15, 20 h 进行了固体粉末渗硼实验, 通过扫描电镜 ( SEM ) 、能谱 ( EDS ) 分析与 X 射线衍射分析 ( XRD ) 研究 TC4 钛合金稀土 硼共渗后的组织形貌和物相组成, 讨论了稀土对 TC4钛合金渗硼层 相组成、硬度及耐磨性的影响。结果表明, 渗层由外表层的 T iB2 和伸向基体的齿状的 T iB 组成, 渗层厚度最高 可达 25 m; XRD 分析表明, TC4钛合金稀土 硼共渗后形成 T iB2 与 T iB 双相硼钛化合物层, 稀土的加入使得 T iB2 的含量增大; ED S分析得出表层 B和 C e元素含量较高, 稀土促进 B 原子在基体表面的吸附使其浓度增大; 渗层的显微 硬度呈梯 度分布, 稀土 硼共渗 渗层的 T iB2 到 T iB 晶须硬度 值的变化 范围为 3300HV 0. 01~ 1800HV 0. 01; 共渗渗层的耐磨性也显著提高。
用 HXD 1000TM C显微硬度仪测量渗硼层的显 微硬度。利用 MM W 1A 立式万能摩擦磨损试验机 检测渗硼试样的摩擦性能, 摩擦副采用特殊 定制 的环 片接触式, 对磨材料为淬火 45#钢销, 在干摩 擦的条件下保持试验力 10 N, 转数 20 r!m in- 1。
2 结果与讨论
2. 1 钛合金表面 稀土 硼共渗后渗硼层横断 面微 观分析
6 08
中国稀土学报
28卷
1. 2 检测分析 在金相显微成像系统 ( OM ) 下观察渗层组织形
貌, 并用峰值平均法 ( JB /T 4215 2008和 JB /T 7709 2007) 计算渗硼层的厚度 (渗硼工件表面形成的单 相或双相化合物层的深度称为硼化物层厚度 [ 11] ) 。
采用 JSM 7001F 热 场发 射 扫描 电 子 显 微 镜 ( SEM )观察渗硼后试样断面微观形貌, 并 使用其 配备的 INCAx sigh t能谱仪 ( EDS) 分析渗层和基体 元素的分布情况。利用荷兰 Panalyt ical B. V 公司的 PW 3040 /60X型 X 射线衍射仪 检测渗硼层的 物相 组成。
第 28卷 第 5期 Vol 28 No 5
中 国 稀 土学 报
JOURNA L OF THE CH IN ESE RARE EA RTH SO CIETY
2010年 10 月 Oct 2010
稀土对 TC4钛合金固体渗硼的影响研究
衣晓红 1, 樊占国1* , 张景垒 1, 李凤华1, 奚正平 2
( 1. 东北大学材料与冶金学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室, 陕西 西安 710016)
1实 验
1. 1 材料与方法 渗硼试样为 TC4钛合金 ( T i 6A l 4V ), 尺寸为
10 mm 10 mm 3 mm, 其化学成分见表 1。采用 自制新型渗剂 ( 含一定稀土氧化物 ) 进行渗硼, 容 器为刚玉坩埚, 用自制粘结剂将刚玉坩埚密封。新 型渗剂可防止渗硼过程中钛合金的高温 氧化, 本 实验过程中无需真空或惰性气氛保护。
从图 2通过对比可以看出, TC4钛合金单渗硼 和稀土 硼共渗的渗硼层均由 T iB2 和 T iB 双相化合 物组成。稀土硼共渗比单渗硼的 ( 100) , ( 101) 面 的 T iB2 峰和 ( 302) 面的 T iB峰明显增强, 并且相同 时间条件下, 增加了 ( 001) 和 ( 002) 面的 T iB2 衍射 峰, 说明稀土的加入提升了表面 B 的浓度, 提高了 T i与 B 的结合率。由于稀土元素的化学活泼性高 于其他金属元素, 易与 O, H, S, N 等元素生成相 当稳定的化合物 [ 12 ] , 易于破坏金属表面的氧化膜, 起到活化和净化表面的作用, 增加了金属表 面的 活性硼原子的浓度, 因此可进一步提高表层 T iB2 的含量, 使得 T iB2 峰明显增强。
本文采用固体粉末渗硼法对 TC4 ( T i 6A l 4V ) 钛合金进行了高温稀土 硼共渗实验, 并用较简单 的工艺即可有效地防止钛合金的高温氧 化。测量 了稀土对钛合金渗硼后的渗硼层厚度、物相组成、 显微硬度及耐磨性的影响。为了考察稀土对 渗硼
的催渗作用, 测量时都将稀土催渗样品与不 加稀 土样品进行了比较。
fo r 20 h
5期
衣晓红等 稀土对 TC4钛合金固体渗硼的影响研究
60 9
图 2 TC4单渗硼和稀土 硼共渗在 1050 保温 5 h空冷后 获得渗层的 XRD 分析图
F ig. 2 XRD patterns fo r bo ride layer and R E bo ride layer at 1050 for 5 h and coo ling in air ( 1) RE bo ride laye r; ( 2) Bor ide layer
关键词: 稀土 硼共渗; TC4钛合金 ; 稀土催渗; 显微硬度; 耐磨性 中图分类号: TG146. 2+ 3 文献标识 码: A 文章编号: 1000- 4343( 2010) 05- 0607- 05
在 钛合金 的航 空航 天工 业应用 中, TC4 ( T i 6A l 4V )钛合金用途最广泛, 超过了钛合金总量的 50% [ 1, 2] 。但因硬度低、易与对磨材料产生粘着磨 损、在还原性酸中的耐蚀性较差等缺点 [ 3~ 5 ] 限制了 其应用范围。由于钛的 硼化物是硬 度高、导热 性 好、电阻低的陶瓷材料 [ 6] , 因此进行渗硼处理后使 钛或钛合金的表面形成硼钛化合物层是提高硬度, 改善耐磨性、抗粘着性等表面性能的一种有 效的 手段。
图 3 TC4钛合金渗硼层断面的 SEM 及 ED S谱位 F ig. 3 SEM and EDS spectrum position o f diffusion laye r
and m atr ix
表 2 各点位 T ,i B, A ,l V, C e的质量百分含量 Table 2 M ass fraction of T ,i B, A ,l V, C e in each point
渗硼温度分别为 1000, 1050, 1100 , 渗硼时 间分别为 5, 20 h, 共渗渗层横断面的显微观察如 图 1所示。在金相显微镜下 TC4共渗组织 形态均 由表面的白 亮层以 及楔入基 体的齿状 组织组成,
随着时间的延长或温度的提高, 部分齿状组 织聚 合到一起变厚变粗, TC4渗硼后表层形成的化合物 与基体冶金结合, 渗层与基体之间契合紧密。
表 1 TC4钛合金的化学成分 (% ) Table 1 Chem ical composition of TC4 titan ium alloy(% )
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T i A l V /% Ba.l 6. 05 3. 89 0. 203 0. 12 0. 01 0. 005
温时可加速渗剂的分解, 促进更多活性 B 原子的 析出, 同时由于稀土的化学活性大, 可在钛基表面 形成活性中心, 使得 B易于吸附到钛合金表面, 因 此在外表层的 C e和 B 含量相对较高, 又由于其原 子半径较大, 引起的晶格畸变较 大 [ 13] , 从而为硼 原子的扩散提供 ∀ 通道 #, B 原子处于较 高的能量 状态, 激活 能较 小, 容 易实 现跃 迁。在点 3 处, T i∃A l∃V = 85. 53∃5. 06∃2. 91约为 TC4的基体比例, 因此点 3处即为基体组成。 2. 3 TC4钛合金渗层的显微硬度
TC4稀土 硼共渗和单渗硼在 1050 保温 20 h 后形成的双相渗硼层的显微硬度分布如图 4所示。 渗层的显微硬度呈梯度分布, 硬度最高的在 外表 层, 其显微硬度达到了最大值约 3300HV 0. 01。稀土 硼共渗的渗硼层上从 T iB2 到 T iB晶须硬度值的变 化范围为 3300HV 0. 01~ 1800HV 0. 01, 均高 于单渗 硼 的渗层 显微硬 度 ( 2200HV0. 01~ 1100HV0. 01 ) , 可 见 稀土使 得 更多 的 B 原 子 与 TC4 表 面 的 T i形 成 T iB2, 提高了外表层硬质相的含量, 也使得更多的 B 向内表层扩散, 进一步增加齿状 T iB 的厚度, 渗 层的致密度增大, 硬度提高, 具有更大的承载力。 从硼钛层 到基体之 间的过渡 区硬度值 明显下降, 但由于有 A ,l V 等合金元素的富集, 因此过渡区的 硬度值 要 高 于 基 体 的 硬 度 值 ( 约 为 330HV 0. 01~ 350HV 0. 01 )。T iB2 和 T iB 结合紧密, T iB 又能与基 体良好契 合, 不易 被摩 擦磨损 所消 耗 [ 14] , 因此, TC4钛合金通过固体渗硼来提高其耐磨 性能是一 种有效途径。
( a) 1000
图 1 钛合金表面稀土 硼共渗 后渗硼层厚度随温度和时间的变化 F ig. 1 T hickness o f RE bo ron izing layer at different tem pe rature and ho ld ing tim e for 5 h; ( b) 1000 for 20 h; ( c) 1050 for 5 h; ( d) 1050 for 20 h; ( e) 1100 for 5 h; ( f) 1100