吳曄康， 楊海麗， 徐 宏， 尚 磊， 王心悅

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，河北唐山 063009)

引 言

眾所周知，滲硼層具有很高的硬度和耐磨性，良好的抗蝕性、紅硬性和抗氧化性，使?jié)B硼后的工件可以在摩擦、腐蝕的環(huán)境中工作，在工模具、汽車制造、采礦石油機械、紡織及農(nóng)耕機械等方面廣泛應(yīng)用［1-4］。常見的滲硼方法包括氣體滲硼、液體滲硼(電解滲硼和鹽浴滲硼)、固體滲硼(粉末固體滲硼、粒狀固體滲硼和膏劑固體滲硼)以及固體氣相滲硼。其中，熔鹽脈沖電解法滲硼與其它滲硼法相比，主要優(yōu)點:1)設(shè)備要求簡單、操作方便，條件易控制，能處理形狀較復(fù)雜的零件;2)電流效率高，分解電壓大，氣體溶解度低，過程中副反應(yīng)的影響小;3)熔鹽電解交換電流密度高，電解速度快，電解能力強;4)脈沖電解滲硼所得滲層致密、均勻，分散能力強、深滲能力好;5)滲層與基體金屬結(jié)合緊密，電解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)優(yōu)良，形貌良好［5-7］。目前對熔鹽電解滲硼工藝的研究局限于直流電解滲硼方面的報道，而關(guān)于脈沖電解滲硼工藝的研究較少［8-12］。實驗以20鋼為基體，采用脈沖電解法進行滲硼，以滲硼層厚度為主要指標(biāo)，利用正交試驗對脈沖電解工藝參數(shù)進行優(yōu)化，為研究熔鹽脈沖電解滲硼提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗藥品氯化鈉、氯化鉀、氟化鈉、無水四硼酸鈉(均為分析純)?；w材料選用20鋼，其化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸為20mm×20mm×3mm。

表1 20鋼化學(xué)成分

1.2 實驗方法

20鋼經(jīng)打磨、除油、水洗、酒精清洗和電吹風(fēng)吹干后待用。將實驗用鹽于 200℃干燥 4h，按n(NaCl)∶n(KCl)∶n(NaF)=1∶1∶3 稱量［13］，分別添加0.04、0.05、0.06 和0.07mol硼砂，混合均勻后倒入高純石墨坩堝，置于不銹鋼套筒中，采用坩堝式電阻爐加熱至所需溫度，保溫1h后，插入陰極試樣，使之浸入熔鹽，陽極為高純石墨坩堝，在氬氣保護下，采用SMD-P型智能多組換向脈沖電鍍電源(邯鄲市大舜電鍍設(shè)備廠)進行電解滲硼。滲硼完畢后，迅速將試樣放入沸水中煮20min，去除表面粘附的熔鹽，經(jīng)水洗、無水乙醇超聲清洗10min，并吹干，以備檢測。采用Axiovert200MAT金相顯微鏡(德國蔡司)觀測滲硼層斷面形貌并測定厚度;采用GDA750型輝光放電光譜儀(德國Spectruma)對滲層硼含量進行分析。

1.3 滲硼層厚度的測定

由于鋼鐵材料的滲硼層成齒狀形貌，因此通常采用齒峰和齒谷的統(tǒng)計算術(shù)平均值作為滲硼層厚度的計量，即金相法計算滲硼層厚度。測量齒峰X1，X2，X3，……，Xn，取其平均值;再測出齒谷的高度 Y1，Y2，Y3，……，Ym，算出齒谷的平均高度，最后得到滲硼層的厚度。n和m的數(shù)值一般都應(yīng)大于5［14］。每塊試樣測取15個峰值、15個谷值，求出各試樣滲硼層的厚度。

1.4 正交試驗

電流密度、占空比、滲硼溫度、滲硼時間及硼砂含量五個因素為影響熔鹽脈沖電解滲硼層厚度的主要因素。以滲硼層厚度為主要實驗指標(biāo)，選取5因素4水平的正交表L16(54)，進行正交試驗，所需考慮的因素及水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表

2 結(jié)果及分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果及極差分析見表3。

表3 正交試驗結(jié)果

極差R的大小反應(yīng)了該因素的水平變動對指標(biāo)影響的大小。R值越大，影響就越大。由表2看出，5個因素對滲硼層厚度影響的主次順序為:C＞A＞E＞B＞D，即滲硼溫度對滲硼層厚度的影響最顯著，電流密度次之，其次是硼砂物質(zhì)的量、占空比，滲硼時間對滲硼層厚度的影響最不明顯。由均值M可以看出，電解滲硼滲層厚度最大的工藝為:A4B2C4D4E1，即 Jκ為 12A/dm2、占空比 20%、θ為900℃、t為 120min 和硼砂量為 0.04mol。

2.2 各因素對滲硼層厚度的影響

以各個因素水平為橫坐標(biāo)，滲硼層厚度平均值為縱坐標(biāo)，繪制因素與指標(biāo)的趨勢圖，如圖1所示。

圖1 滲硼層厚度均值與因素的關(guān)系

由圖1可見，隨電流密度的增加，滲硼層厚度增加。這是因為電流密度的增加，使峰值電流增加，加速了陰極極化作用，使得陰極電位負移，降低陰極擴散層中的硼離子濃度梯度，有利于硼的沉積，使沉積速度加快，所得滲層變厚［15］。

隨占空比的增大，滲硼層厚度先增加后減小。這是因為當(dāng)占空比為10%時，占空比較小，導(dǎo)通時間相對較短，此時陰極硼的還原量少，所得滲層薄;當(dāng)占空比為30%和40%時，占空比較大，關(guān)斷時間相對較短，陰極界面濃度和滲液本體濃度相差較大，濃差極化增大，硼離子向陰極的擴散減少，消耗后得不到補充，故滲層也薄。因而當(dāng)占空比為20%時厚度最大。

隨滲硼溫度的升高，滲硼層厚度顯著增加，曲線呈近似的線性關(guān)系。溫度升高使熔鹽粘度下降，電導(dǎo)率增加，加速了滲劑的分解，提高了活性硼原子的擴散能力，覆蓋能力就強，從而使?jié)B層的厚度增大。但是單一的提高溫度，能耗將會增大，熔融鹽的蒸汽壓增加，揮發(fā)損失增大［5，16］。因此通過升高溫度來獲得較厚滲硼層的途徑往往不可取。

當(dāng)滲硼t小于90min時，滲層厚度隨時間的延長顯著增加;當(dāng)滲硼t超過90min時，滲層厚度的增加趨于平緩。這是由于隨著時間的延長，熔鹽中硼粒子濃度下降，同時陰極表面導(dǎo)電性下降，硼原子的擴散減緩的緣故。且延長時間，勢必會增加能耗，故最優(yōu)滲硼t取90min。

當(dāng)硼砂在0.04～0.07mol范圍時，隨硼砂物質(zhì)的量的增加，滲硼層的厚度減小。這是由于隨著硼含量的增加，熔鹽粘度也增加，粘度增大阻礙了硼原子向陰極的運動，所得滲層變?。?3］。

2.3 滲硼溫度對金相組織的影響

若要保證滲硼后工件的性能，僅有較厚的滲層是不夠的，同時需要保證其組織細致緊密，使?jié)B層與基體連接牢固，不易剝落。溫度為影響滲層組織的最主要因素，圖2、圖3、圖4和圖5分別是750、800、850和900℃下各試樣的金相組織。

圖2 750℃時試樣的金相組織

圖3 800℃時試樣的金相組織

圖4 850℃時試樣的金相組織

圖5 900℃時試樣的金相組織

鋼鐵滲硼后表面形成的硼化物為柱狀晶形態(tài)，且柱狀晶基本與試樣的表面垂直，滲硼層呈梳齒狀嵌入基體組織中，這種結(jié)構(gòu)有利于與基體牢固結(jié)合［17］。一種新相的生長都要經(jīng)過形核和長大的過程。從滲劑中分解出的硼原子首先在試樣表層晶界處形成硼化物晶核，形成的晶核對于試樣表層具有各種可能的結(jié)晶學(xué)取向。晶核向基體內(nèi)生長的速度主要取決于硼原子在晶體中的擴散速度。由于硼化物［002］晶向具有成為硼原子"擴散通道"的特征，因此只有［002］晶向與試樣表面相垂直，擴散阻力小且生長速度最快的晶粒，才能不斷地向試樣心部生長，形成柱狀晶［18-19］。從金相組織可看出，當(dāng)θ為750℃(圖2)時，滲層組織比較細致緊密，但滲層比較薄，且伸入基體中的硼化物的梳齒很小，與基體接觸面小，從而滲層與基體結(jié)合力小，導(dǎo)致滲層與基體的連接不緊密，滲層易剝落;當(dāng)θ為800℃(圖3)時，滲層厚度比750℃時有所提高，齒狀硼化物仍比較小，組織比較細致緊密，但梳齒狀組織較短，與基體接觸面仍較小，降低了與基體的結(jié)合強度，連接不夠緊密，滲層易剝落;在850℃(圖4)時，滲層不僅比較厚，而且硼化物的針比較長，深入基體中，滲層不易剝落。900℃(圖5)時，滲層雖較厚，但齒狀趨于平坦呈舌狀，硼化物與基體接觸面減小，削弱了與基體的結(jié)合強度。因此，選擇850℃作為滲硼溫度，可以獲得較厚且不易剝落的滲層。

2.4 最優(yōu)工藝驗證

根據(jù)各因素對滲硼層厚度的影響及溫度對金相組織的影響，將正交試驗所得電解滲硼層厚度最大的工藝 A4B2C4D4E1修正為:A4B2C3D3E1，即Jκ為12A/dm2、占空比 20%、滲硼 t為 90min、θ為850℃、硼砂為0.04mol，進行電解滲硼，記為17#。圖6為17#試樣的金相組織，由金相法計算出其滲硼層的δ為87.4μm。由圖6可見，17#試樣的硼化物針比較均勻，組織的細致程度比較高，與基體的連接緊密，使得滲硼層不會輕易脫落。滲層組織為(Fe2B+FeB)雙相，其中Fe2B相為灰白色，F(xiàn)eB為黑灰色，且FeB相厚度已超過滲層總厚度的1/3，其耐磨性會更好［18］。

圖6 17#試樣的金相組織

為確定B元素在滲層中的分布規(guī)律，用輝光放電光譜儀對滲硼層中B的質(zhì)量分數(shù)變化進行了分析，圖7為17#試樣硼質(zhì)量分數(shù)隨深度變化曲線。由圖7可見，從表面到約20μm的深度，B的質(zhì)量分數(shù)約為16%，與FeB相中B的質(zhì)量分數(shù)基本一致，說明滲硼層最外層主要是FeB相。20μm到75μm時B的質(zhì)量分數(shù)開始降低，由16%降低到約8%，說明這區(qū)間應(yīng)該為梳齒狀的FeB和Fe2B交叉區(qū)域;75到87μm時B的質(zhì)量分數(shù)約為8%，與Fe2B相中B的質(zhì)量分數(shù)基本一致，說明次外層主要由Fe2B組成。與金相法結(jié)果基本一致。

圖7 17#試樣硼質(zhì)量分數(shù)隨深度變化關(guān)系

3 結(jié)論

1)電流密度、占空比、滲硼溫度、滲硼時間和硼砂量等5個因素對20鋼電解滲硼滲層厚度影響的主次順序為:滲硼溫度＞電流密度＞硼砂量＞占空比＞滲硼時間。

2)采用熔鹽脈沖電解法在20鋼基體上滲硼的最優(yōu)工藝參數(shù)為:Jκ為12A/dm2、滲硼θ為850℃、占空比20%、滲硼 t為90min、熔鹽摩爾配比為n(NaCl)∶n(KCl)∶n(NaF)∶n(Na2B4O7)=1∶1∶3∶0.04。在該工藝下電解滲硼，得到的滲硼層δ為87.4μm，滲層組織較細致緊密。

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