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、前言
渗硼是一种材料表面强化的化学热处理技术，通过扩散的硼和基体材料在相应温度下可形成由一个或多个金属间化合物相组成的硼化物层，显著地提高基体的表面硬度和耐磨性，从而极大地延长其使用寿命。

渗硼一般应用于各种耐磨、耐蚀件的表面处理，不仅适合于钢铁材料，例如，碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢等，也适合于铝合金，甚至钛合金。

作为改善材料耐磨性的一种非常有效手段，渗硼技术研究与应用获得了国内外的广泛关注。

到目前为止，已经出现了固体法、熔盐浸渍法、膏剂法、熔盐电解法。

其中，目前固体渗硼获得国内外普遍认可。

这是因为固体渗硼与其他渗硼工艺相比具有许多优点。

特别是粉末渗硼工艺的操作简单，具有不需要特殊设备，采用普通电、气、煤加热炉均可，渗后工件不需清洗、渗剂重复使用性好、成本较低和渗层厚度与组织易控制等优点。

以45 钢为基材对其表面进行固体粉末渗硼，探讨渗层生长行为及渗硼时间与渗层组织及性能的关系。

结果表明，渗硼层由硼化物Fe2B 构成，硼化物以长短不齐的方式垂直楔入基体形成连续针齿状层，与基体牢固结合。

随渗硼时间延长，渗层厚度先快速增大后缓慢增加。

渗层生长动力学符合抛物线规律。

渗层显微硬度随渗层深度增加，先开始有所增加，后出现明显降低，最后缓慢降低。

延长渗硼时间，渗硼深度增加，且显微硬度和耐磨性均能增加。

基于此，我们这次实验以45钢为基材，对其表面进行固体渗硼，探讨渗层生长行为及渗硼时间与渗层组织及性能的关系。

二、实验目的
1.通过金相观察和显微维氏硬度的方法研究相同温度温度（本实验选择850摄
氏度）不同保温时间对45钢渗硼层组织的影响（主要包括渗层的厚度与渗层的硬度）。

2.初步掌握渗硼工艺过程及主要工艺参数的制定。

3.初步掌握化学热处理质量检测与控制方法。

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
B化合物层，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Fe
2
当渗层的硼含量达到9%～16%时，就形成Fe
B和FeB两种化合物的混合层。

其中，
2
B是正方面心晶系，硬度为1290～1680 HV，脆性较小。

FeB为斜方晶系，硬Fe
2
B相的渗度为1890～2340HV，脆性较大。

从实际使用出发，希望获得单一的Fe
2
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：2KBF
4+B
4
C+O
2
=K
2
O+4BF
2
↑+2[B]+CO↑，式中的
BF
2为不稳定气体，经分解析出硼原子而形成稳定的BF
3
气体:3BF
2
=[B]+2BF
3。

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Fe
2
B和FeB两相化合物
层。

所以形成Fe
2
B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。

从Fe-B系状态图可以看出，渗硼的渗层组织从表至里依次为FeB-Fe
2
B-过渡层-心部基体组织。

即由化合物层、过渡层和基体组织三部分组成。

钢铁渗硼后，由于表层形成FeB、Fe
2B或FeB+Fe
2
B层组织和硼固溶扩散的方
式以及碳及合金元素富集而重新分布的扩散层组织，使渗硼后具有如下的特点：1.高的硬度：碳钢渗硼后表面硬度可维氏硬度HV1400～2300，因而耐磨性极高，
是一般化学热处理难以达到的。

2.高的红硬性：由于渗硼层稳定性好，在800℃以下能保持高的硬度。

3.良好的抗蚀性能：硼化物层在600℃以下抗氧化性好；对盐酸、硫酸、磷酸及碱具有良好的抗蚀性，但不耐硝酸腐蚀。

四、实验材料与设备
1.供硼剂B
4C、催渗剂KBF
4、
填充剂SiC，少量防止渗剂结块的Mn-Fe合金粉末
2.显微维氏硬度计
3.刚玉坩埚、耐火粘土
4.箱式电阻炉
5.45钢圆饼试样7个
五、实验方法
1.实验材料采用45钢圆饼试样，预先对其进行调质处理，去除氧化皮后制成
D=10mm L=5mm的试样。

实验采用渗硼剂成分为：供硼剂B
4C、催渗剂KBF
4
、填
充剂SiC，以及少量防止渗剂结块的Mn-Fe合金粉末。

2.将试样表面抛光后，与渗剂一起装入刚玉坩埚并用耐火粘土封好，试样间保持一定间隔，然后放入箱式电阻炉进行实验。

3.渗硼实验工艺：在850℃下分别保温2h、4h、6h，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。

(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。

)
六、实验数据
图二以上分别为保温2、4、6小时及原始的显微组织
七、实验数据分析
1、在相同的渗硼温度（850℃）下,渗硼时间越长渗硼层越厚。

基本满足菲克
第二定律。

2、在相同的渗硼温度（850℃）下,渗硼时间越长，渗硼层硬度越高。

分析发
现：最外层的硼化物较疏松，故其硬度低于次外层比较致密的Fe2B单相组织层。

其工件在使用过程中虽然刚开始耐磨性稍微差一点。

但当磨损到次外层是其性能显著提高。

另外，由于渗硼剂的硼含量为5%，渗层基本上不会出现Fe2B和FeB两相化合物层，故其硬度在随时间的变化中开始变缓。

八、结论
本次试验我们小组基本完成了关于该实验目的的探究，得出结论：在相同的渗硼温度下，随着时间的延长，渗层的厚度基本按照扩散定律增加。

而且渗层的硬度也随着时间的增加而增加。

存在的不足有：实验的对比组较少不能教合理的展现这个规律。

还需进一步研究探索。