固体渗硼综合实验方案设计

固体渗硼综合实验方案设计

一、导论

通过对在实验中得到的数据的整理，获得了以下两个重要结论：45钢加热温度在800~900℃之间，保温2~6 h后，渗硼层厚度为38~234μm，渗硼层显微硬度为801.9~2425HV，渗层的形貌为锯齿状。在接近表面的地方，存在孔洞和微裂纹并且渗硼层为单相的Fe2B相。渗硼层厚度δ与加热温度T和保温时间t的关系曲线图。对实际生产和教学实验都有现实的参考和指导意义。

二、实验目的

1）通过金相观察和显微维氏硬度的方法研究不同温度、不同保温时间对45钢渗硼层组织的影响。

2）探究给定固体渗硼剂对45钢渗硼的最佳工艺参数。观察渗硼样品淬回火后渗硼层剥落情况。

三、实验原理

由铁硼二元相图（图1）可知，硼在钢中的溶解度极低，在不同温度下可与钢形成δ、γ和α固溶体,其最大溶解度不超过0.02%；在渗硼层中，硼原子和铁原子可形成两种类型的化合物，当渗层的硼含量达到9%时，形成Fe2B化合物层，当渗层的硼含量达到9%～16%时，就形成Fe2B和FeB两种化合物的混合层。其中，Fe2B是正方面心晶系，硬度为1290～1680 HV，脆性较小。FeB为斜方晶系，硬度为1890～2340HV，脆性较大。从实际使用出发，希望获得单一的Fe2 B相的渗硼层。

要实现渗硼，一般来说，有三个基本过程所组成，即化学介质(渗剂) 的分解，产生活性[B]原子；活性[B]原子被金属表面所吸收；以及渗入元素向金属内部的扩散，这三个过程是既分开，又是相互联系、相互制约的过程。

碳化硼、氟硼酸钾渗剂的反应：2KBF4+B4C+O2=K2O+4BF2↑+2[B]+CO↑，式中的BF2为不稳定气体，经分解析出硼原子而形成稳定的BF3气体:3BF2=[B]+2BF3。

第三个过程减少表面硼含量使之增加硼渗层之深度，如果分解和吸收进行的很强烈，除了有足够数量的硼原子供给向内层扩散外，还余下很多硼原子使之增加表面浓度，这样就很容易使表层硼浓度超过9%而形成Fe2B和FeB两相化合物层。所以形成Fe2B单相组织的条件是：当表层硼浓度接近9%时，要使吸收硼原子的数量和向深处扩散的硼原子数量接近相等，当然这种理想状态是难于实现的，但可以适当控制渗硼剂的活性，使表层硼浓度的递增速度趋于缓和，这样在不太长的渗硼时间下，就可避免两相脆性层的出现。

渗硼温度：一般在850℃到1000℃之间，随着渗硼温度提高，可以使渗硼速

度加快、渗层增厚并缩短渗硼时间，但不能超过1000

℃，因为温度过高会引起晶粒粗大并使渗层疏松。

渗硼时间：一般为3到5个小时，最长不超过6个小时。最有实用价值的渗硼层厚度为70~150μm，因此保温时间不宜过长。保温时间过长在渗层厚度增厚不明显的情况下使基体晶粒长大，渗层脆性增加，渗层与基体结合力弱。

四、实验方法

实验材料采用45钢，预先对其进行调质处理，去除氧化皮后制成10mm X10mmX 10mm的试样。实验采用渗硼剂成分为：供硼剂B4C、催渗剂KBF4、填充剂SiC，以及少量防止渗剂结块的Mn-Fe合金粉末。

将试样表面抛光后，与渗剂一起装入刚玉坩埚，试样间保持一定间隔，然后放入箱式电阻炉进行实验。

渗硼实验工艺：分别在850℃、900℃、950℃下保温4h，冷却方式是随炉冷。每组实验试样数量为2。

试样冷却后，将每组其中一个试样镶嵌、打磨、抛光之后经侵蚀剂腐蚀制备成金相试样。使用金相显微镜对渗层进行观察、测量、拍照，使用显微维氏硬度计测量试样硬度。

每组另一个试样重新加热淬水并回火，之后观察金相并使用显微维氏硬度计测量试样硬度。45钢淬回火工艺参数为：840℃淬火，200℃回火1h。

渗硼层侵蚀剂配方：1%苦味酸酒精溶液10份+2%硝酸酒精1份。使用时只需用棉球蘸一下配好的溶液,在试样上反复轻轻地擦拭数秒左右,便可得到渗层组织的全貌。这种腐蚀剂使用操作简单,易于掌握,适用于一般渗硼层组织的金相检验。

五、实验材料

供硼剂B4C

催渗剂KBF4

填充剂SiC，以及少量防止渗剂结块的Mn-Fe合金粉末

显微维氏硬度计

刚玉坩埚。

六、实验数据

编号渗硼温度淬回火工艺最外层硬度次外层硬度心部硬度1850无85.8无78.1 2900无98.785.488.6 3950无10995.289.2 4850840℃淬火200℃回火158119105 5900840℃淬火200℃回火11096.9106 6950840℃淬火200℃回火120.5164103

表1 实验工艺与显微硬度

七、实验数据分析

1、金相45钢渗硼的金相组织形态为锯齿状,且垂直于表面楔入基体。

2、在相同的渗硼温度（900℃）下,渗硼时间越长渗硼层越厚。

3、在相同的渗硼温度（9000℃）下,渗硼时间越长，渗硼层硬度越高。这些结论说明渗硼后工件表面形成铁的硼化物，具有很好的硬度，使工件的寿命成倍的提高，显示了巨大的技术、经济效益。

八、结论

通过对45钢实验室固体形变渗硼技术的研究，通过查阅相关资料以及做实验和对数据的分析与讨论，我们得出：

但本课题在研究过程中现了很多不足:

渗硼层组织中的缺陷主要有：渗硼层过薄；渗硼层生长不连续：渗层中有裂纹、孔洞、硼齿分叉及渗硼层组织疏松等，另外还观察到呈不连续状态的硼化物生长现象。

渗硼处理后的渗硼层太薄、厚度不均匀．甚至不连续时．渗硼层脆性大容易剥落．而且耐磨性、抗蚀性都很差．在承受较大的挤压应力和疲劳强度的机器零件上，渗硼层极易剥落。渗硼层厚度取决于渗硼的条件，即由渗硼温度、时间以及供硼的介质所决定。提高渗硼温度或提高渗硼能力均促进渗硼层厚度的生长。而控制渗硼层厚薄不均匀现象可通过改善介质的活性、均匀混合固体渗剂等措施实现。具有较多空洞的渗硼层，抗蚀性差。减少渗硼层孔洞的措施：(I)控制渗硼的温度，不能使渗硼温度过高；(Ⅱ)减少渗剂成分中氧化性气氛的组分。采用粒度为0.5～1.5mm的活性炭粉作为填充剂可减轻多种活化剂造成的渗硼层疏松现象。渗硼层出现裂纹是由于渗硼层中FeB、Fe2B两相与基体的膨胀系数各不相同，冷却时在相界面上存在较大应力引起的。控制渗硼层出现裂纹的措施：渗硼时尽量避免硼化物中出现较多的FeB相，适当控制渗后冷速是克服脆性剥落和减少裂纹的有效办法。

如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！

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