渗硼对钢铁表面组织与性能影响的研究现状

渗硼对钢铁表面组织与性能影响的研究现状3
慕　东1,2,王渠东2,沈保罗3
(1　成都电子机械高等专科学校机械工程系,成都610031;2　上海交通大学轻合金精密成型国家工程
研究中心,上海200240;3　四川大学材料科学与工程学院,成都610065)
摘要 渗硼是一种应用广泛的表面化学处理技术。

详细介绍了渗硼对钢铁组织和性能的影响,主要包括钢铁渗硼后的组织、硬度、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性等方面的研究,并提出了渗硼研究存在的问题及今后的研究方向。

关键词 渗硼　组织　性能
R esearch Actuality of E ffect of Boriding on Microstructure and
Properties of Steels Surface
MU Dong 1,2,WAN G Qudong 2,S H EN Baoluo 3
(1　Institute of Mechanical Engineering ,Chengdu Electromechanical College ,Chengdu 610031;2　National Engineering
Research Center of Light Alloy Net Forming ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240;
3　School of Materials Science &Engineering ,Sichuan University ,Chengdu 610065)
Abstract Boriding is a widely used surface chemical treatment.In this paper the effect of boriding on the pro 2perties and microstructure of the steels surface are described.It mainly includes the research on microstructure ,hard 2ness ,wear resistance ,corrosion and oxidation resistance of borided steels.Some problems and future direction of bori 2ding research are also suggested.
K ey w ords boriding ,microstructure ,properties
　3四川省科技厅资助项目(2008ZR0041)
　慕东:男,1977年生,博士生,讲师,主要研究方向:材料表面强化技术　E 2mail :xhmd @
0　引言
渗硼是近代发展起来的1种新型热处理工艺,是硼进入铁及一系列非铁金属表面的化学热处理过程。

扩散的硼和基体材料在相应温度下形成了由一个或多个金属间化合物相组成的化合物层,即渗硼层。

渗硼后的工件表面具有很高的硬度和耐磨性,良好的抗蚀性、红硬性和抗氧化性,使零件适用于在摩擦、腐蚀的环境中工作,在汽车与拖拉机制造、石油化工机械、纺织农耕机械、工模具等方面有广泛的应用。

以钢铁材料为代表的许多过渡族金属通过渗硼,可获得具有金属和非金属性质的表面改性,目前国内外学者对钢铁渗硼的研究主要集中在组织、渗硼工艺、力学性能、耐高温和耐腐蚀等方面。

1　渗硼层显微组织的研究
根据Fe 2B 二元相图(图1)[1],在渗硼处理温度(900～
1000℃)下,铁硼系中可能出现γ、Fe 2B 和FeB 等相。

硼在γ相,即奥氏体中的溶解度很小(质量分数小于或等于0.008%),在渗硼过程中,钢铁表面的奥氏体很快被饱和,并立即形成Fe 2B 化合物。

如果硼化剂的活性较高,并且渗硼的时间足够长,将在Fe 2B 层的外侧形成含硼量更高的化合物FeB。

图1　Fe 2B 相图
Fig.1　Fe 2B equilibrium diagram
硼化物的成核过程是在任何方向进行的,而生长择优于
一定方向,择优方向为硼化物的(002)晶向,(002)晶向垂直于试样表面的晶核(有效晶核)向里生长的同时也横向生长,
・24・材料导报:综述篇 2009年4月(上)第23卷第4期
使硼化物齿变粗,从而形成了硼化物层特有的齿形形貌[2]。

C.Martini等通过渗层的XRD分析表明,FeB(002)和Fe2B (002)的衍射峰强度远大于其他晶向,可以推断2种硼化物的(002)织构较强,垂直于试样表面逐渐向里生长[3]。

文献[4]通过对A ISI P20模具钢渗硼研究表明,试样表面呈齿状形貌,使渗层和基体具有很好的结合力,在横断面上出现3层区域:(1)主要包含硼化物的表层;(2)含有硼原子的过渡层;(3)钢的基体。

通常来说,我们更希望得到齿状的Fe2B单相硼化物,这是因为硼含量为16.23%(质量分数)的FeB(斜方晶体)比硼含量为8.8%(质量分数)的Fe2B(四方晶体)脆,并且由于FeB和Fe2B的热膨胀系数不同(αFeB=23×10-6/℃、αFe2B= 7.85×10-6/℃),所以当载荷较大时容易在FeB/Fe2B的界面产生裂纹,造成表面渗层的剥落[5]。

通过控制渗硼工艺参数,如渗硼温度、时间或渗硼后热处理等都可以得到以Fe2B 为主的渗层,使零件具有良好的耐磨性和机械性能。

C、Ni和Cr等元素也对渗硼层产生很大的影响,随着C 含量的增大,渗层厚度降低,而硬度提高,或者先降低(含碳量大于0.5%)再提高[6]。

由于C在FeB和Fe2B中的溶解度很小,钢表面的大部分C被排挤到内侧,因而在紧靠硼化物的内侧出现一个碳富集并再分配的扩散层(过渡区),这就是高碳钢的渗层非常脆且结合力较低的原因。

Cr会提高渗层中FeB相的数量,并且提高渗层硬度和增大脆性,使表面层疏松[6]。

Ni含量的增加易产生较薄的单层渗层[7]。

含Si较高的合金钢渗硼时,被挤入过渡区中的硅在铁硼化合物内侧形成富硅区。

硅是强烈缩小奥氏体区、促使铁素体形成的元素,因此在富硅区内形成铁素体软化区,渗硼层承受较大外力时易被压陷和剥落。

因此硅含量超过2%的合金钢不适宜进行渗硼处理[8,9]。

渗硼工件表面形成的Fe2B或(FeB+Fe2B)化合物层的厚度,称为硼化物层厚度。

对于不同的钢种,都有一个比较适合的渗硼层厚度值。

若渗层太薄,渗硼层的连续性减小,承受挤压应力的能力小;渗层太厚,组织中的针状插入变得平滑,减小了金属基体与渗层的结合力。

所以一般渗层厚度在100～200μm之间较适宜。

通过研究表明,渗硼温度越高、时间越长,渗层厚度越厚[10]。

Ugur Sen等对可锻铸铁采用盐浴渗硼(渗硼温度950℃,保温时间2～8h),得到114～185μm的渗层厚度,且渗层厚度随时间的延长而增大[11]。

文献[12]通过固体渗硼法(E Kabor2型渗剂)对A ISI440C不锈钢渗硼发现,合金元素含量越高,渗层齿形越平缓,表层的FeB厚度大约10μm,次层的Fe2B厚度大约50μm,并在Fe2B 层下存在一个硼的过渡区。

2　硬度和耐磨性的研究
钢铁渗硼后,表面层获得由单相FeB或双相(FeB+ Fe2B)构成的硼化物层,铁硼化合物FeB和Fe2B本身具有很高的硬度,显微硬度分别为1890～2340HV和1290～1680HV,在冲击载荷不大的情况下,其耐磨性优于渗碳和渗氮。

渗硼后的AISI H13钢的显微硬度在1650～2000HV,而基体硬度约为570HV,渗层硬度比基体约高出3.5倍[13]。

文献[11]指出球墨铸铁渗硼后,渗层硬度远高于基体,为1665～2140HV,而基体硬度只有258HV。

从表层到基体,硬度梯度很高,所以渗层在较大冲击载荷下易剥落。

A. Pertek等对41Cr4钢采用渗碳后再渗硼的两步热处理工艺研究发现,渗硼层下的硼碳过渡区硬度(950HV)大大高于单一渗硼的过渡区硬度(350HV)。

通过磨损实验可以发现,渗碳+渗硼两步热处理与渗碳相比,有利于提高钢的耐磨性,且与渗硼相比,过渡区硬度较高,而硬度梯度较低,在磨损过程中渗层不易剥落,表现出优良的耐磨性[14]。

墨西哥的E.Melendez等研究了用B4C作为活化剂,在99.4%的高纯氮气气氛下对1018钢、9849钢进行膏剂渗硼处理,渗硼工艺为920℃,保温1～5h,通过对渗硼后的1018钢、9849钢以及渗碳+淬火回火的1018钢进行磨损实验发现,渗硼后的1018钢、9849钢显示出优良的耐磨性,这是由于Cr、Ni的存在(形成[Cr,Ni,Fe]2B相)[15]。

文献[16]研究了1020、1045、4140和4340钢在温度1223K、1273K和1323K,保温时间2h、4h及8h下固体渗硼,显微硬度测试结果发现,最大硬度超过2000HV0.1,但是使用相同渗硼工艺获得的硬度不同,这是由于每种钢所含元素不同所致。

土耳其的学者对渗硼、渗碳及原始态的SA E950C钢进行磨损试验,对磨试样分别为Al2O3和SiC砂纸,试验结果显示原始态试样的磨损失重最大,但是硬度高于渗碳的渗硼试样在采用SiC砂纸为对磨试样时,失重却大于渗碳试样,渗硼钢对SiC 砂纸的磨损失重要比Al2O3砂纸大。

就渗硼钢而言,渗硼6h 的失重最小,这是由于渗层厚度的增加提高了耐磨性[17]。

文献[18]研究了25CrMnMo钢渗硼层高温磨损特性,结果表明渗层磨损机制以疲劳剥落为主,兼有磨粒磨损,且升高温度、增加载荷,磨损率增大。

3　渗硼层断裂韧性的研究
断裂韧性(Fract ure toughness)用于表征材料阻止裂纹扩展的能力,是度量材料韧性好坏的一个定量指标。

在加载速度和温度一定的条件下,对某种材料而言它是一个常数。

当裂纹尺寸一定时,材料的断裂韧性值愈大,其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大;当给定外力时,若材料的断裂韧性值愈高,其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大,材料的断裂韧性在工程应用中至关重要。

土耳其的Ibrahim Ozbek等研究发现,A ISI W4钢的断裂韧性主要取决于渗层的类型,硬度值越大,其断裂韧性值越小。

Fe2B的断裂韧性值是FeB的4倍多,这是由于FeB 的硬度远高于Fe2B的结果[19]。

文献[20]认为延长渗硼时间使FeB相增多,导致断裂韧性数值降低,且FeB更易于产生断裂裂纹,这是由于FeB相和Fe2B相内在应力的类型特点不同所致。

Ugur Sen等采用固体渗硼法对工具钢表面渗硼处理,渗硼温度850～950℃,保温时间2～7h,研究发现渗硼层表面的断裂韧性主要与合金元素、钢的基体、渗硼温度以及时间有关,但是当存在FeB、CrB等多种硼化物时,每种都有自己的断裂韧性值,但还无法确定它们之间有着怎样的相
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渗硼对钢铁表面组织与性能影响的研究现状/慕　东等
互作用及影响[21]。

4　高温抗氧化性能及耐蚀性的研究
在高温下,工件表面的铁硼化合物与氧反应生成B2O3,使工件受到保护,导致氧化过程停止或者减到极缓慢的程度,所以经渗硼处理的工件在600℃以下抗氧化性较好。

文献[22]对AISI440C钢和52100轴承钢进行渗硼处理,XRD 显示渗层表面存在FeB、Fe2B和CrB,通过渗硼件从室温到600℃的滑动磨损试验(对磨件Si3N4),结果显示渗硼和未渗硼铸态件的磨损失重均随温度的升高而增加,且渗硼件的磨损率明显小于铸态件,当600℃时,渗硼的AISI440C钢和52100轴承钢的抗磨性分别是铸态件的3倍和2.5倍。

渗硼件的磨损形貌显示,在300℃以上的磨损表面存在一层不连续的致密氧化物。

文献[23]也认为FeB和Fe2B在300～400℃可以与氧反应生成B2O3以及Fe的氧化物。

A ISI 440C钢的磨损率低于52100轴承钢,这可能是A ISI440C钢中存在铬的氧化物的缘故,该氧化物以薄膜层的形式存在,有利于提高其耐磨性。

渗硼层对盐酸、硫酸、磷酸、氢氧化钠、氯化钠等水溶液都有较高的抗蚀性,但不耐硝酸腐蚀。

另外,渗硼层对熔融的铝、锌也具有一定的抗蚀性[24]。

I.Campos等对A ISI304钢进行膏剂渗硼后,在0.1mol/L的NaCl溶液中进行腐蚀实验,通过极化曲线结果显示,渗硼件比铸态件表现出更高的稳定性和更低的电流密度[25]。

文献[26]对渗硼后的H13钢在酸性溶液(HCl5%、H2SO45%、H3PO430%(体积分数))中进行了研究,通过电位动力极化试验和浸入腐蚀试验发现,渗硼试样在H2SO4和H3PO4溶液短期浸入中表现出优良的耐蚀性,和铸态H13相比提高了100h,主要的腐蚀机理是渗层的裂隙腐蚀、渗层和基体之间的电镀腐蚀以及基体的点蚀。

文献[27]研究了低碳钢盐浴渗硼后的腐蚀试验,腐蚀介质为HCl、H2SO4、H3PO4、HNO3、和HClO4(10%(体积分数)),渗硼后的低碳钢在HCl溶液中的腐蚀率为0.66×10-3 (g/cm2)/d,H2SO4溶液中为1.13×10-3(g/cm2)/d,HClO4溶液中为1.59×10-3(g/cm2)/d,H3PO4溶液中为3.37×10-3(g/cm2)/d,但是在HNO3溶液中的腐蚀率为0.3(g/ cm2)/d。

可见,渗硼层在硝酸中的耐腐蚀性较差。

5　结束语
综上所述,渗硼层具有优良的耐磨性、耐高温氧化性和耐蚀性,同时具有很高的表面硬度,使零件适合于在摩擦、腐蚀的环境中工作,有着广阔的应用前景。

但是要在工业上广泛应用渗硼技术,还需要对以下问题进行更深入的研究。

(1)渗硼技术方面。

传统渗硼多采用固体、液体和气体渗硼法,其他方法还有如离子渗硼、自蔓延渗硼、流态床渗硼法,这些渗硼技术各有优缺点。

环保、节能、高效的低成本渗硼技术无疑会得到广泛的应用。

(2)渗硼工艺方面。

渗硼温度和保温时间是国内外学者研究的重点,但对渗硼压力(高压、低压、真空)的研究较少。

温度2时间2压力3因素的研究将为渗硼技术的发展提供更广阔的空间。

(3)渗剂方面。

渗剂在渗硼中起到供硼、活化、催渗的作用,渗剂的成分、粒度、活性元素的添加都将影响渗层的组织、厚度及性能。

渗剂的研究,包括渗剂回收都是值得探索的方向。

(4)渗层性能方面。

由于渗硼层还存在着高脆性、厚度不均匀、表面孔洞较多、易出现微裂纹等缺点,一般用于低载荷、小冲击力环境下。

通过复合渗硼、多元渗硼、渗硼后处理等技术降低了硬度梯度,使渗层与钢基体结合牢固且具有良好韧性,扩大了渗硼技术的应用范围。

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