周 旸

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

Cr結(jié)構(gòu)鋼滲硼動(dòng)力學(xué)的研究

周 旸

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

為獲得理想的鋼鐵材料滲硼工藝參數(shù)，對(duì)影響滲硼層性能的主要因素進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。用固體滲硼技術(shù)對(duì)40Cr、40CrNi和45Cr鋼分別在850℃，880℃，910℃和940℃保溫條件下進(jìn)行3，5，7，9個(gè)小時(shí)的滲硼處理，首先用光學(xué)顯微鏡觀察3種鋼在不同加熱溫度和保溫時(shí)間下各種鋼滲硼層的形貌和顯微組織，發(fā)現(xiàn)滲層以齒狀楔入機(jī)體。隨后通過(guò)測(cè)量3種鋼在不同溫度下不同滲硼層深度的硬度，發(fā)現(xiàn)硬度峰值在1 444HV0.1到1 490HV0.1之間。最后通過(guò)對(duì)40Cr、40CrNi和45Cr鋼進(jìn)行滲硼動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析，得出滲硼層厚度與滲硼時(shí)間呈拋物線關(guān)系、生長(zhǎng)速率常數(shù)隨著滲硼溫度升高而增加的規(guī)律;并且隨著含碳量和合金元素的增加，滲硼所需的擴(kuò)散激活能隨之增大。

碳鋼;Cr元素;固體滲硼;滲硼層;動(dòng)力學(xué);擴(kuò)散激活能

滲硼是一種材料表面強(qiáng)化的化學(xué)熱處理技術(shù)，通過(guò)高溫時(shí)硼的擴(kuò)散，與基體材料在相應(yīng)溫度下可形成由一個(gè)或多個(gè)金屬間化合物相組成的滲硼層，能顯著地提高基體的表面硬度和耐磨性。鋼鐵材料經(jīng)滲硼后得到的滲硼層由Fe2B或者FeB+Fe2B組成，F(xiàn)e2B相的硬度一般為1 300～1 800HV，而FeB相一般達(dá)到1 600～2 200HV，具有較高的耐磨性，并具有良好的減摩作用，尤其抗磨粒磨損性能要優(yōu)于滲碳和滲氮［1］。但FeB相的脆性比較大，所以兩相硼化層的脆性和剝落傾向比較大［2］，使?jié)B硼工藝的應(yīng)用受到一定限制。

滲硼層的性能與很多因素有關(guān)，如滲硼層過(guò)厚，會(huì)增加其脆性和剝落傾向。決定滲硼層厚度的主要工藝參數(shù)是滲硼溫度和時(shí)間，而含碳量和合金元素含量不同的鋼，經(jīng)不同溫度和保溫時(shí)間滲硼后的滲硼層厚度、硬度都有所不同。通過(guò)研究做出不同鋼種的滲硼層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線(滲硼層厚度與時(shí)間、溫度的關(guān)系)以及滲硼層等厚度圖，就可以通過(guò)設(shè)定的滲硼時(shí)間和溫度預(yù)測(cè)滲硼層的厚度，反之也可以根據(jù)確定的滲硼厚度調(diào)整滲硼時(shí)間和溫度，這對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 滲硼試樣

滲硼材料為40Cr、40CrNi和45Cr鋼，試樣尺寸均為φ 15mm×10mm，每種鋼有16個(gè)工藝參數(shù)，每種工藝參數(shù)有2個(gè)試樣，共計(jì)96個(gè)試樣。

1.1.2 滲硼劑組成

本實(shí)驗(yàn)中使用的滲硼劑成分組成見(jiàn)表1。

表1 滲硼劑組成

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 不同碳含量鋼的滲硼

滲硼處理總體可分為4個(gè)階段:(1)配制滲硼劑;(2)試樣預(yù)處理;(3)試樣封裝;(4)試樣滲硼。

1.2.2 試樣滲硼后的處理

(1)從坩堝中取出滲后的試樣，冷卻后打磨表面，鑲嵌。(2)將鑲嵌后的試樣先用水磨機(jī)粗磨，然后依次用 280#、320#、400#、600#的金相砂紙進(jìn)行細(xì)磨。(3)砂紙磨制后，在拋光機(jī)上用氧化鋁拋光粉兌水進(jìn)行拋光。(4)將拋光后的樣品用4%硝酸酒精輕輕擦試，再用清水沖洗并烘干。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同含碳量鋼滲硼層金相組織分析

圖1(a)、(b)分別為40Cr和45Cr經(jīng)910℃保溫7h后得到的滲硼層200倍的顯微組織。金相照片下端為鑲嵌料，往上依次為白亮色的滲層、擴(kuò)散層、顏色較暗的基體。白亮的滲硼層是垂直工件表面向基體生長(zhǎng)，以齒狀楔入基體。圖中白亮的滲硼層厚度分別為64.7μm和70.1μm。

圖1 不同含碳量鋼在910℃下保溫7h的顯微組織

圖2(a)、(b)分別為40Cr和40CrNi經(jīng)910℃保溫7h后得到的滲硼層200倍的顯微組織。圖中白亮的滲硼層厚度分別為64.7μm和61.8μm，可以發(fā)現(xiàn)，隨著合金元素含量的增加，滲硼層的厚度隨之減小。

圖2 不同含碳量鋼在910℃下保溫7h的顯微組織

圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別為40Cr鋼在850℃，880℃，910℃和940℃溫度下保溫7h后得到的滲硼層200倍的顯微組織。由此可以明顯地觀察出:在相同的保溫時(shí)間下，滲層隨溫度的升高而加厚，可以解釋為隨著溫度的升高，原子內(nèi)能更大，更易向基體內(nèi)擴(kuò)散。其他鋼種在實(shí)驗(yàn)觀察中也有類(lèi)似的規(guī)律。

圖3 40Cr鋼在4種不同溫度下保溫7h后得到的滲硼層顯微組織

2.2 40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼層的顯微硬度分析

表2為3種鋼在不同溫度7h滲硼下不同滲硼層深度的硬度，結(jié)果表明:隨著保溫溫度的升高，較硬的滲層的厚度有增厚的趨勢(shì)，探其原因，可能是溫度較低時(shí)，滲硼劑來(lái)不及擴(kuò)散，導(dǎo)致滲硼層偏薄，而隨溫度的增加，硼原子的自由能增加，所以滲層更厚。

表3為3種鋼基體與滲層最大硬度對(duì)比，可見(jiàn)，最初的鋼材基體較為柔軟，硬度為285HV0.1左右，而滲層的最大硬度接近1500HV0.1，鋼材的機(jī)械性能有了明顯的提高。其原因可以解釋為滲層表面形成硬脆的Fe2B相，導(dǎo)致硬度改變。

表2 3種鋼滲硼層硬度隨深度和溫度變化的情況

表3 3種鋼基體與滲層硬度對(duì)比

圖 4為 40Cr、40CrNi和 45Cr鋼在 880℃，910℃和940℃下保溫7h得到的滲硼層的顯微硬度梯度。由圖4可知，3種鋼的滲層顯微硬度隨滲硼溫度的變化遵循相同的規(guī)律，3種鋼在相同的保溫溫度下硬度大小差別不大，且都在接近表面30～40μm處硬度最大。由表3可知，滲硼層表層硬度大幅度高于機(jī)體硬度，是基體的4～5倍，同時(shí)隨著深度的增加硬度逐漸減小。

2.3 40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析

2.3.1 溫度、時(shí)間對(duì)滲硼層厚度的影響

圖5，6和7分別為溫度和時(shí)間與40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼層厚度的關(guān)系圖，從圖可以看出，在本實(shí)驗(yàn)條件下，40Cr鋼滲硼層厚度在12～124μm之間，40CrNi鋼滲硼層厚度在11～129μm之間，45Cr鋼滲硼層厚度在14～121μm之間。

圖4 3種鋼在880℃、910℃和940℃下保溫7h得到的滲硼層的顯微硬度梯度

圖5 不同溫度與保溫時(shí)間下40Cr鋼滲硼層的厚度

圖6 不同溫度與保溫時(shí)間下40CrNi鋼滲硼層的厚度

圖7 不同溫度與保溫時(shí)間下45Cr鋼滲硼層的厚度

對(duì)某一種鋼來(lái)說(shuō)，在相同保溫時(shí)間內(nèi)，隨著滲硼溫度的升高，滲層厚度隨之增加;在相同滲硼溫度的條件下，隨著保溫時(shí)間的增加，滲層厚度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。但是兩者基本為拋物線的關(guān)系，即，當(dāng)滲層達(dá)到一定厚度時(shí)，隨著保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，滲層厚度增加的速度隨時(shí)間的增加而減慢。

將3張圖一起看可以得知，低溫時(shí)，要使?jié)B層厚度達(dá)到一定值，比高溫時(shí)需要的時(shí)間長(zhǎng)，這說(shuō)明，低溫條件下，硼原子的擴(kuò)散比較困難，擴(kuò)散速率較小。

2.3.2 40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼動(dòng)力學(xué)曲線

根據(jù)3種鋼滲硼后的滲層厚度，用Origin軟件分別作40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼的d2～t關(guān)系圖，然后進(jìn)行線性擬合，再將擬合直線的斜率求出，即得到每個(gè)溫度下的滲層生長(zhǎng)速率常數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

由表4可知，任何一種鋼隨著溫度升高，滲層生長(zhǎng)速率常數(shù)增大，且溫度越高，相同溫度間隔內(nèi)，生長(zhǎng)速率常數(shù)變化越大。綜合比較3種鋼的滲硼生長(zhǎng)速率常數(shù)，在同一溫度條件下，40Cr鋼滲層生長(zhǎng)速率常數(shù)比40CrNi鋼的大，主要原因是后者含有合金元素Ni，強(qiáng)烈阻礙硼原子向內(nèi)擴(kuò)散，阻礙滲層的生長(zhǎng);同時(shí)在同一溫度條件下，40Cr鋼滲層生長(zhǎng)速率常數(shù)比45Cr鋼的大主要原因是后者碳含量更高，阻礙了硼原子向內(nèi)擴(kuò)散，阻礙滲層的生長(zhǎng)。這里的計(jì)算結(jié)果與金相觀察的結(jié)果略有出入，究其原因可能是在滲硼過(guò)程中加熱爐的升溫速率不同導(dǎo)致，不影響擴(kuò)散激活能的計(jì)算。

表4 3種鋼不同溫度下的生長(zhǎng)速率常數(shù)

利用表4中的數(shù)據(jù)，結(jié)合滲硼溫度，作兩種鋼滲硼的lnK ～1/T關(guān)系圖，分別得到圖8，9和10。

圖8 40Cr鋼滲硼的ln K～1/T關(guān)系

圖9 40CrNi鋼滲硼的ln K～1/T關(guān)系

圖10 45Cr鋼滲硼的ln K～1/T關(guān)系

將圖8～10中擬合直線的斜率求出，即為－Q/R，從而可以求得擴(kuò)散激活能Q值，結(jié)果見(jiàn)表4，40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼的擴(kuò)散激活能分別為242.9kJ/mol、256.0kJ/mol和269.6kJ/mol，由此可見(jiàn)，前者的擴(kuò)散激活能較小，更容易滲硼，這與以往滲硼結(jié)果是相符的。

表5為3種鋼滲硼后的滲層厚度表，根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，使用Sigma軟件分別作出40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼的溫度－時(shí)間－滲層厚度關(guān)系圖，即為它們的等厚度曲線，分別如圖11，12和13所示。

根據(jù)等厚度圖，一方面可以預(yù)測(cè)設(shè)定的滲硼時(shí)間和溫度可以得到的滲硼層厚度;另一方面可以從既定的厚度值找到相應(yīng)的滲硼時(shí)間和溫度，這對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。

表5 40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼層厚度

例如:想要對(duì)40Cr鋼進(jìn)行固體滲硼后得到60μm的滲硼層，根據(jù)圖11，如果確定加熱溫度為910℃的情況下，需要保溫近7h;如果確定加熱溫度為940℃ 的情況下，只需要保溫5h左右;反之，根據(jù)確定的保溫時(shí)間和滲層厚度來(lái)估計(jì)需要的加熱溫度亦如此。其他鋼種確定工藝參數(shù)的方法也相同，由此可見(jiàn)，畫(huà)出不同鋼種的滲硼層等厚度圖是具有很高價(jià)值的。

圖11 40Cr鋼滲硼層等厚度曲線圖

圖12 40CrNi鋼滲硼層等厚度曲線圖

圖13 45Cr鋼滲硼層等厚度曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)改善生產(chǎn)工藝有著積極的影響，可以為提升實(shí)際生產(chǎn)效率提供理論依據(jù)，但是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的差異，如加熱爐的加熱速率的不同、滲硼劑均勻度的輕微不同，在實(shí)際生產(chǎn)中的情況可能會(huì)有細(xì)微不同，如得到某一厚度滲層所需的時(shí)間與實(shí)驗(yàn)中的不一樣，所以在應(yīng)用文中結(jié)論時(shí)還需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件做細(xì)節(jié)上的調(diào)整。

［1］張黔，孫小華，李朝志.低碳中鉻鋼滲碳層的耐磨粒磨損性能研究［J］.熱加工工藝，2001(3):16－18.

［2］孫希泰.材料表面強(qiáng)化技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］JB/T 7709－2007滲硼層顯微組織、硬度及層深檢測(cè)方法［S］.

［4］王掌忠.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005，121－141.

［5］田旭.固體滲硼在石油機(jī)械中的應(yīng)用［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2006.

［6］Uslu I，Comert H，Ipek M.A comparison of borides formed on AISI 1040 and AISI P20 steels［J］.Material＆ Design，2007，28:1819－1826.

［7］王秀娟，林銀，李文健，等.40Cr鋼滲硼動(dòng)力學(xué)研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(S1):121 －124.

［8］Campos I，Oseguera J，F(xiàn)igueroa U，et al.Kinetic study of boron diffusion in the paste － boriding process［J］.Materials Science and Engineering，2003，A352:261 －265.

［9］Sen S，Sen U，Bindal C.An approach to kinetic study of borided steels［J］.Surf Coat Technology，2005，191:274 －285.

Research on the Boronization Dynamics of Cr Structure Steel

ZHOU Yang
(Nanjing University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing，210094，China)

n this study，the 40Cr，40CrNi and 45Cr steels substrates were pack － borided at 850，880，910and 940℃ for 3，5，7，and 9 h.The morphology formed on the surface of steel substrates were confirmed by optical microscopy analysis.The characteristic sawtooth morphology of the boride layer is dominant.Boride layer thickness formed on the borided steels depending on process temperature，treatment time and element contents of the substrates.Also，we measure the microhardness of borides of different carbon － contents steels，and the peak microhardness is in the range from 1444HV0.1 to 1490HV0.1.After calculating the layer growth kinetics，it demonstrates a parabolic relationship between layer thickness and process time and the growth rate constant K increases with boriding temperature.Also，the activation energy for the process increases with the amount of element contents of the substrate.

Carbon Steels;Cr Contents;Solid Boronizaton;Kinetics;Activation Energy

TG142.33

A

2095－509X(2013)11－0079－05

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.020

2013－10－09

周旸(1991—)，男，江蘇南京人，南京理工大學(xué)本科畢業(yè)生，學(xué)士，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)榻饘俨牧稀?/p>