毕业设计（论文）低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究.doc

郑州大学毕业设计（论文）题目：低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究Study on wear resistance of boronizing layer on metal surface of low carbon steel at low stress conditions学生姓名指导教师专 业材料科学与工程（成型）学 院材料科学与工程学院2010年6月3日摘要本文研究了低碳钢表面的渗硼工艺及渗层在低应力条件下耐磨性能。研究采用的工艺变量为渗硼时间、渗硼温度和渗剂配方，试验所用的母材材料为20钢和40Cr。渗剂配方由供硼剂、活化剂、还原剂和填充剂组成。本文共选用四种工艺来进行渗硼实验。通过对试验结果进行分析，发现渗硼之后材料的耐磨性能大大提高。在不同条件下，渗硼层的厚度、硬度和脆性也有很大差别。渗硼层主要是是由FeB和Fe2B两相组成，且显微硬度达到1700HV，具有很高的硬度和耐磨性。同时发现渗层硬度梯度对材料的使用寿命也有很大的影响，降低硬度梯度对材料有重要的意义，可以通过对渗后试样的热处理来减小硬度梯度和改善材料的组织，提高材料的性能。关键词：表面渗硼；工艺；耐磨性能AbstractIn this paper, the boronizing process and wear resistance of boronizing layer under low stress is studied. This article uses boronizing time, temperature and penetration formula as process variables, and uses 20 steel and 40Cr as sample material. Penetration formula formed by the for boron, activator, reducing agent and fillers. Four types technology are used to conduct boronizing experiments. By experimental analysis, found that the wear resistance increased greatly after boronizing. The thickness, hardness and brittleness of boronizing layer are great different. Boronizing layer is mainly by the two-phase FeB and Fe2B, the hardness of boronizing layer reaches 1700HV, and it has high hardness and wear resistance. The hardness gradient has a great influence to the lifetime of material, so, how to reduce the hardness gradient is important. We can reduce the hardness gradient and improve the organization of materials by heat-treatment to improve the material performance. Keywords：surface boronizing; technology; wear resistance目 录摘 要IABSTRACTII目 录I1 概述11.1 前沿11.2 磨损11.2.1 粘着磨损21.2.2 接触疲劳磨损21.2.3 腐蚀磨损21.2.4 磨料磨损21.3 耐磨性31.4 表面渗硼工艺41.4.1 渗硼工艺简介41.4.2 渗硼工艺目的41.4.3 渗硼工艺分类41.4.4 渗硼过程中的化学反应51.4.5 渗硼层的组织与性能61.4.6 渗硼工艺的优缺点71.5选题意义和需要解决的问题71.5.1 选题意义71.5.2 需要解决的问题72 实验内容92.1 渗硼工艺92.1.1 母材的选取92.1.2 渗剂配方的选用92.1.3 渗前准备92.1.4 混装与装罐102.1.5 渗硼过程控制102.1.6 渗后试样检查与缺陷分析102.2 试样的制作102.2.1 试样的选取102.2.2 制作金相试样112.2.3 金相观察122.2.4 显微硬度的测量123 实验结果与分析133.1 渗硼层的显微组织观察133.2 显微硬度分析143.2.1 显微硬度143.2.2 渗硼温度对渗硼层显微硬度的影响163.2.3 保温时间对渗硼层显微硬度的影响163.3 渗层的耐磨性173.4 渗层组织的缺陷183.4.1 内裂纹183.4.2 渗层厚薄不均193.5 渗硼层的脆性193.5.1 渗硼层本质脆性193.5.2 渗硼层中致脆组织形态203.5.3 渗硼层中的致脆碳化物204 结论21参考文献22附件1：23附件2:24附件3：25附件4：26附件5：27外文翻译28外文原文36致 谢451 概述1.1 前沿金属材抖与其它物体接触并产生相对运动和摩擦时，在接触应力作用下，金属表面的部分物质便会发生人们所不希望的脱落或转移，这种现象称为金属的磨损。磨损是一种非常有害的现象,它将造成巨大的经济损失和自然资源的浪费。据统计资料，在失效的机械零件中，有75%80%属于磨损造成，供给机械的能量有大约30%50%消耗于摩擦和机械零件的磨损过程中。苏联机器制造产品因磨损所造成的损失每年达100-120亿卢布,美国每年因磨损所造成的经济损失估计为1000亿美元,而西德估计为100亿马克。可见，研究金属磨损，提高金属的耐磨性和发展耐磨合金具有何等重要的意义。有资料表明，我国用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备的易损件，每年消耗百万吨以上。然而普通材料的耐磨性差，开发、研制、推广新型抗磨材料和先进的耐磨铸件生产工艺具有重要意义。耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用，耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占85%。耐磨材料种类繁多，当前使用最为普遍的是金属耐磨材料，然而一般的金属耐磨材料在某些工作环境下也达不到要求，必须在整体强化的基础上采取措施进一步强化其工作表面，这就是所谓的表面技术。表面改性是表面技术里的一个分支，即采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。化学热处理是表面改性中的一种方法，它利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表面的一种热处理工艺。基本工艺过程是：将工件置于含有某种化学元素的介质中加热保温，使活性介质通过分解，使某种元素渗入钢铁表面的原子向金属表面扩散渗入形成一定厚度的扩散层，然后以适当的方式冷却，从而改变金属表面的化学成分和组织结构，赋予金属表面新的物理、化学及机械性能。金属表面渗硼技术是提高金属表面耐磨性能非常便捷的一种工艺方法。1.2 磨损磨损是一种伴随摩擦产生的表层材料微量损失现象，它是一个十分复杂的表面微观破坏过程，它不仅取决于金属材料本身所固有的成份，组织和性能，而且还受许多外界因素所影响。磨损性能实际上是一个系统的性能，是金属本身，相配材料和工作条件的综合表现。磨损会降低机械设备的运动精度，会缩短机器的使用寿命，甚至会使机器完全丧失工作能力。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损理论磨损工矿和不断发展抗磨材料是国内外同行研究的热点和难点。磨损的分类方法很多，目前为大多数人公认的乃是按磨损机理进行的分类，即磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损。据估计，在工程实践中，磨料磨损约占全部磨损现象的50%，是造成金属磨损的一个最普遍、最重要的原因。为此，本文着重介绍磨料磨损的基本概念，磨损机理，控制磨料磨损的因素和一些常用的抗磨料磨损的耐磨合金，为进一步研究磨料磨损和提高磨损件的寿命提供一些线索。1.2.1 粘着磨损粘着磨损也称咬合磨损或摩擦磨损，粘着磨损是在法向加载下，两物体接触表面相对滑动时产生的磨损。磨损产物通常为小颗粒状，从一个物体表面粘附到另一个物体表面上，然后在继续的摩擦过程中，表面发生断裂，有时还发生反粘附，即被粘附到另一个表面上的材料又回到原来的表面上，这种粘附反粘附往往使材料以自由磨屑状态脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成，粘着以后的断裂分离，并不一定在最初的接触表面产生。1.2.2 接触疲劳磨损接触疲劳磨损是一种很常见的磨损形式，主要发生在承受周期性的接触载荷或交变应力的机器零件表面上，如滚动轴承，车轴，齿轮，钢轨等，这种形式的磨损也叫做接触疲劳磨损。疲劳磨损的定义：当两个接触体相对滚动或滑动时接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料剥落下来的磨损过程；1.2.3 腐蚀磨损腐蚀磨损是一种极为复杂又很常见的磨损形式，它是材料受腐蚀和磨损综合作用的磨损过程。腐蚀磨损最常见的是氧化磨损，氧化磨损的实质是在金属表面与气体介质发生氧化反应，生成单分子氧化膜，厚度逐渐增加，但增长速度岁时间推移，按指数规律而减少，多数金属表面氧化膜厚度为10-10cm，有些氧化膜相当硬，若在滑动过程不再增加或不被磨去，足以起到保护作用，但氧化膜过厚易产生断裂和剥落，被剥落的氧化物本身在摩擦面之间就行成了腐蚀磨损。1.2.4 磨料磨损1.2.4.1 磨料磨损的概念及分类磨料磨损主要是指硬的磨粒或硬的突出物在与表面相互接触运动的过程中，使表面材料发生损耗的一种现象或过程。磨料磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和水平分力，前者使硬质点压入材料表面，而后者使硬质点与表面之间发生相对位移，硬质点与材料相互作用的结果，是被磨损表面产生犁皱或切削，形成磨损或在表面留下沟槽。磨料磨损一般分为低应力擦伤式磨料磨损、高应力磨料磨损和凿削式磨料磨损。第一，低应力擦伤式磨料磨损是指磨料与材料表面之间的作用力小于磨料本身压溃强度时产生得力，摩擦结果时在材料表面只发生微小的划痕。既不致使磨料破碎又能使材料不断流失的磨损方式，宏观可见磨损表面比较光亮，高倍观察可见微细的磨沟或微坑一类磨伤。典型零件如农机具的磨损、洗煤设备的磨损、运输设备的溜槽、料仓、漏斗、料车等。第二，高应力磨料磨损也称碎式磨料磨损，当磨料与材料的接触压应力大于磨料的压溃强度时，一般金属表面被拉伤，韧性材料产生塑性变形，脆性材料发生碎裂或剥落。该类磨损的磨粒在压碎之前，几乎没有滚动和切削的可能，它对被磨表面的作用是由接触处的集中压应力造成的。典型零件是球磨机的磨球与衬板等滚式破碎机中的辊轮等。第三，凿削式磨料磨损的产生主要由磨料中的磨粒包含大块磨粒，而且具有尖锐棱角，对材料表面进行高应力和伴随冲击作用，使材料表面撕裂出很大的颗粒或碎块，使被磨材料表面形成较深的犁沟或深坑，经常在运输或破碎大块磨料时发生。典型实例如颚式破碎机的齿板，辗辊等。1.2.4.2 磨料磨损机理磨料磨损机理是指零件表面材料和磨料发生摩擦接触后，材料是如何磨损，亦即材料的磨屑是如何从表面脱落下来的。磨损机理又分为微观切削磨损机理、多次塑变磨损机理、疲劳磨损机理和微观断裂磨损机理。磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力。法向力使磨粒压入表面，切向力使磨粒向前推进，当磨粒形状与运动方向是当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行切割而形成切削。但这种切削的宽度和深度都很小，因此切削也很小，称之为微观切削。在显微镜下观察，一面比较光滑，一面有滑动的台阶，有些还发生卷曲的现象。微观切削磨损是材料表面磨损的主要机理。1.3 耐磨性材料的耐磨性不是材料的固有性质，而是磨损系统的问题，即由材料性质构成的内部参量与由磨损条件构成的外部参量共同作用的结果。系统参量变化了，材料的耐磨性也相应发生变化。(1) 足够高的材料硬度，是金属材料能过有效抵抗磨料磨损的首要前提，在提高材料的整体硬度有困难的情况下，运用表面处理技术对材料进行表面强化，提高耐磨部件的表面硬度，是材料强化重要的努力方向。(2)对于以共晶碳化物为主要抗磨相得材料，在大磨粒磨损条件下，提高基体强度从而加强对碳化物的固持与支承，可以较大幅度的提高钢的耐磨性；而在小磨粒磨损条件下，细化组织，减小共晶碳化物的平均自由程，使之转化为大磨粒磨损系统，是较之提高基体耐磨性更为有效的手段。 1.4 表面渗硼工艺1.4.1 渗硼工艺简介渗硼工艺自诞生至今已有100多年的历史，此间国内外的同行们创造发明了许多渗硼方法,如固体粉末渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼等,其中固体渗硼因具有操作方便、使用设备简单、质量易控制等优点在生产中得到较广泛的应用。我国大量开展渗硼技术的研究始于20世纪70年代后期，主要从事液体渗硼研究与应用，同时对固体粉末渗硼进行了工艺试验。渗硼技术的发展也推动了渗金属技术的开发与研究。1987年中国热处理学会成立了“全国渗硼渗金属技术委员会”，使渗硼技术的开发与应用得以迅速发展，达到了国际先进水平。我们较全面系统地对液体渗硼、 固体渗硼技术进行了研究与应用。20世纪90 年代以后，我们对渗硼技术由理论研究转向生产应用开发。主要解决渗剂的优选、 工艺的简化、消除污染和降低成本，以适应工业生产的需求；同时，开展了大量非模具零件的渗硼研究。1.4.2 渗硼工艺目的采用渗硼工艺一般为了以下几个主要目的：（1）提高金属表面的耐蚀性，渗硼零件在除硝酸外所有的酸碱盐中具有较高的抗腐蚀性；（2）提高金属材料的抗疲劳强度；（3）提高金属表面的强度、硬度和耐磨性，提高零件的使用寿命，膨化物十分稳定，在800高温下能够保持高的硬度，即红硬性好，在700以下具有良好的抗氧化性，且渗层越厚抗氧化温度越高。1.4.3 渗硼工艺分类渗硼工艺一般有如下三种：固体渗硼、气体渗硼和盐浴渗硼。（1）固体渗硼：固体渗硼是将工件埋入含硼的介质中，或在表面涂以含硼膏剂装箱密封，并在箱式或井式电炉中加热保温进行渗硼的一种工艺。这种方法不需要专用设备，具有操作方便、渗后易于清理、适应性强和便于推广等优点。近年来已在国内外广泛应用。（2）气体渗硼：气体渗硼采用的气源为三氯化硼、乙硼烷和三甲基硼，当用三氯化硼和乙硼烷作介质时，渗硼温度为850-1000，渗层组织一般为Fe2B相。优点是渗层质量较好、渗后不需要清理，但乙硼烷不稳定，用氢气或氢气作载气时易爆炸，且价格昂贵；三氯化硼极易水解，至今在生产上尚未采用。（3）盐浴渗硼：液体渗硼曾经用于生产，主要以盐浴渗硼为主。盐浴配比是以硼砂为基，碳化硅、铝粉、硅钙、硅铁、稀土物质等为还原剂。这类配方成本低廉，盐浴稳定性好，可获得单相Fe2B渗层。盐浴渗硼尚存在一些问题，如盐浴流动性差，工件粘盐现象严重，渗后清洗较困难，同时盐浴对坩埚、挂具等有较大的腐蚀性，限制了此方法的应用。1.4.4 渗硼过程中的化学反应1.4.4.1 固体渗硼化学反应固体渗硼普遍采用的供硼剂有两种,一种是碳化硼 ,一种是硼铁。为还原出硼原子 ,在渗剂中均添加氟硼酸钾作为活化剂 ,其化学反应如下:(1)碳化硼、 氟硼酸钾渗剂的反应:2KBF4 +B4C +O2 = K 2O + 4BF2 + 2B + CO其中的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 (2)硼铁、 氟硼酸钾渗剂的反应:4KBF4 + 4B + O2 = 2K2O + 8BF2 其中的BF2发生分解而析出硼原子:3BF2 = B + 2BF3 1.4.4.2 气体渗硼化学反应气体渗硼主要采用两种气氛,一种是三氯化硼 ,一种是乙硼烷 ,其渗硼化学反应如下:(1)三氯化硼气体渗硼化学反应:2BCl3 + 5Fe = 2FeB + 3FeCl2(2)乙硼烷气体渗硼化学反应:B2H6 = 2B + 3H2上述渗硼气体均由氢气作载体。1.4.4.3 盐浴渗硼化学反应盐浴渗硼普遍采用的供硼剂以硼砂为主,碳化硅、 铝粉等为还原剂 ,其基本的化学反应如下:(1)硼砂浴中加碳化硅的反应:Na2B4O7 + 2SiC = Na2O· 2SiO2 + 4B + 2CO (2)硼砂浴中加铝粉的反应:Na2B4O7 + 4Al = Na2O + 2Al2O3 + 4B上述二式中的B 为活性硼原子 ,可以渗入钢中。1.4.5 渗硼层的组织与性能1.4.5.1 渗硼后的组织渗硼层的组织一般为FeB、Fe2B 单相或双相组织，它们在碳钢和低碳钢中由表面向基体呈锯齿形楔入。形成双相时, 表面为FeB , 次层为Fe2B ,硼化物层与基体之间为过渡区。1.4.5.2 渗硼层性能渗硼后的钢铁表面除具有高硬度(13002300HV) 和耐热性外,其力学性能、磨损性能和抗蚀性能如下。（1）冲击性能40Cr 钢在不同处理状态下的冲击实验数据见表1。由表1可知,40Cr 钢渗硼后调质的冲击韧性比未渗硼时的调质状态稍有降低,这是因为硼化物为脆性相所致,但其冲击值均能满足技术要求。渗硼缓冷的试样冲击值很低其原因在于渗硼温度高且又长时间保温而导致的晶粒粗大。所以对于工作中要 求冲击值高的工件渗硼后必须调质。（2）抗拉性能40Cr 钢在不同处理状态下的拉伸性能数据见表2。可见渗硼后调质与未渗硼调质状态的s、b和值相接近,值偏低一些。说明钢渗硼后经过恰当的热处理,仍能保持良好的强韧性。表1 40Cr钢渗硼后冲击试验数据（ak/Jcm-2）1号试样2号试样3号试样平均渗硼后炉冷21.721.72828渗硼后调质99.572.786.186.1未渗硼调质113.5111.6111.8112.3表2 40Cr钢拉伸性能数据s/MPab/MPa/%/%调质820.83907.6411.535.2渗硼调质后801.06886.36916.7（3）耐磨性能 40Cr钢在渗硼及不同热处理状态下的磨粒磨损数据见表3。可知渗硼后耐磨性大幅度提高,说明渗硼层具有优良的抗磨损性能,可广泛用于在磨粒磨损条件下工作的工件。表3 40Cr钢磨粒磨损数据磨损前重量/g磨损后重量/g失重量/g调质5.447015.410270.03674渗硼炉冷5.447015.438480.00853渗硼调质5.525465.520750.00471 （4）耐腐蚀性能 钢经渗硼后表面形成十分稳定的化合物,故具有良好的耐蚀性。表4为1Cr5Mo钢经渗硼后的抗蚀试验数据。由表4可知,渗硼后在前三种溶液中腐蚀比较慢,渗硼后的抗蚀性提高819倍。但在硝酸中,渗硼后的耐蚀性仅为未渗硼者的1/ 9 ,所以渗硼层不适宜在硝酸环境中使用。表4 1Cr5Mo钢不同状态下腐蚀实验数据（失重量/g）3HClH2SO4NaOHHNO3渗硼0.00150.00110.00050.1329未渗硼0.01230.00960.00960.0152提高倍数8.213.319.291.4.6 渗硼工艺的优缺点金属表面的渗硼层能大大提高材料的硬度、耐磨性等等，大大提高了零件的使用寿命，渗硼工艺比较简单，容易操作，但是渗硼层与材料之间的结合不是特别牢固，渗硼层容易出现脱落，即渗脆性大，影响材料的性能。1.5选题意义和需要解决的问题1.5.1 选题意义本文研究的是低碳钢表面渗硼层在低应力条件下的耐磨性能，目前机械、建筑等行业出现了大量因材料磨损而导致使用寿命降低甚至报废的情况，因此需要积极的探索研究材料的耐磨损方法，而在众多的方法中表面渗硼是一种方便快捷有效的解决方法。现在这方面的研究很多，但是仍然存在许多问题：如何提高渗硼的效率，增加渗硼层的厚度，减小渗硼层的脆性，影响渗硼过程的主要因素有哪些等等。所以研究这个课题就是为了清楚的了解低碳钢表面渗硼层的性能及影响渗硼层的因素。1.5.2 需要解决的问题渗硼过程中渗层的渗脆性及渗层薄阻碍了渗硼工艺的进一步发展，影响渗脆性的因素很多，首先，温度低，渗层较薄，与基体结合强度低，在冲击力或弯曲力作用下，渗层易发生剥落，温度太高，渗层厚度虽然增加但渗层有较多孔隙，致密度降低，削弱了硼化物与基体的结合强度，且基体晶粒组织粗大增加了脆性，所以控制好温度，不能太低，也不能太高，880摄氏度比较合适；其次，渗硼时间也对脆性有影响，一般880摄氏度渗硼，保温4小时，此时脆性最小，韧性好；再次，冷却条件的不同也对渗层脆性有影响，应尽量减少渗硼后的加热冷却次数，渗硼后直接淬火；最后，回火温度也有影响，高温回火脆性大，低温回火脆性小。另外，稀土元素的加入也可以显著地改善渗层脆性。实验中应该要注意以下问题：(1)试验过程中要严格执行操作规范，并记录好实验数据。(2)试验结果与分析：根据试验数据分析看是否与理论值一致并进行详细分析。(3)得出试验结论。 2 实验内容2.1 渗硼工艺2.1.1 母材的选取渗硼工艺适用于钢、铸铁及硬质合金等材料，在冷、热模具上效果很好。对严重磨损工件，如高压阀板、泥浆泵缸套、活塞杆、履带节等也很有效。WC硬质合金渗硼后表面生成W2(CB)3或W(CB)3，硬度2600-3400HV，摩擦因数减小，耐磨性显著提高。含硅量较高的钢渗硼后，往往在过渡区形成一硬度很低的软带区域，这对渗层的性能是极其有害的，因此含硅量大于1%的钢种不宜作渗硼用钢。低碳结构钢中的Q235、20的渗硼效率高，易获得单相Fe2B层'硼化物呈梳齿状'与基体结合力强，适用对基体强度要求不高的耐磨或抗蚀件。中碳结构钢中的45、40Cr渗硼效率中等，可获得齿状硼化物，耐磨性好，与基体结合牢固。适于要求表面耐磨，基体又具有较高强度的工件。故选其中的20和40Cr作为本次试验的基体材料。2.1.2 渗剂配方的选用一般认为，渗剂由供硼剂、还原剂、活化剂、填充剂和助渗剂组成。渗剂总重1kg。配方如下：供硼剂硼砂（wt.%）活化剂氟硼酸钾（wt.%）还原剂硅铁（wt.%）填充剂石墨+木炭（wt.%）助渗剂氯化铵（wt.%）温度（）时间（h）配方一15122030+203920×5配方二15122030+203920×4配方三20122025+203920×5配方四15122030+203900×52.1.3 渗前准备硼砂：分子式为Na2B4O7 10H2O，由于含结晶水很多，必须除去其中的结晶水，使Na2B4O7更加纯净。将硼砂在450下脱水处理1小时。试验时用的已脱水硼砂，使用前经100烘干1小时。作用:硼砂为主要供硼剂,在渗硼过程中提供活性B原子。活化剂：一般使用化学纯试剂在使用易挥发或易湿分解的活化剂（如铵盐类）时渗剂配好后应密封存放，或者现用现配制，以免因活化剂挥发或吸水分解，影响渗硼的效果。使用前经100烘干1小时。作用: KBF4为活化剂，在渗硼过程中提高渗剂活性，与硼砂反应，产生气态的硼化物，促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。填充剂：原料一般均采用工业纯料，其中木炭一般为块状，配制时粉碎成粉末。作用: 渗剂中加入木炭、活性炭、石墨，主要起填充剂作用。目的有三:一是防止渗剂烧结及渗剂与试样粘接;二是保持渗剂的松散与通气;三是保持渗剂中还原性气氛和控制硼势，同时也参与活化作用。尤其是木炭、活性炭还具有渗碳功效，这有利于渗硼的进行。一些易挥发、易分解的活化剂如氯化铵，在各成分在配制前不需要经100左右干燥处理。2.1.4 混装与装罐由于渗剂配方中各成分所占比例悬殊，而且粒度和比重不同，所以渗剂按比例配好后，置于研钵中进行混料，使其充分混合均匀。装罐前对试样表面进行除锈、除油污，使试样表面光洁，这样更有利于提高渗硼效果。混好后，即可将渗剂和试样装入渗罐中。方法是：先在罐底铺上一层2030mm渗剂后再放入试样，试样与罐壁之间保持1015mm的间隙，然后再填充渗剂，试样上表面复盖2030mm厚渗剂，周围用耐火棉沿罐壁绕一圈后再用粘土和水密封好，封好后要经100干燥半小时。这样有利于保持渗剂的松散性。固体渗硼时，渗硼容器密封与否，其渗硼效果大不一样。为了保持渗硼容器内有良好的渗硼气氛，减少活化剂的分解挥发，防止工件氧化，渗硼容器的密封是十分必要的。试验表明，如果密封得好，在相同的渗剂与工艺条件下，可得到更深的渗层。另外，密封容器内的渗剂，渗后的松散性亦较不密封的为好。2.1.5 渗硼过程控制将炉子升温到900时，将罐放入炉中，待温度达到920时开始计时，一号三号保温5小时，二号保温4小时，四号在900保温5小时。出炉后，空冷至室温后取出试样。2.1.6 渗后试样检查与缺陷分析渗后发现三号罐比一号二号四号烧结严重，主要是因为三号渗剂硼砂含量高造成的，试样表面存在残留渗剂，不易清除，渗剂粘罐现象比较严重。2.2 试样的制作2.2.1 试样的选取本实验选取的母材材料是20钢和40Cr，将上述渗过的圆棒试样用线切割截取15mm，20钢的尺寸为Ø12mm×15mm，40Cr的尺寸为Ø14mm×15mm。2.2.2 制作金相试样（1）砂纸磨光磨光过程是试样制备最重要的阶段，除使试样表面平整外，主要是使组织损伤层减少到最低程度甚至毫无损伤。在磨制试样时步骤如下，首先用100号的粗砂纸磨平试样表面，然后用再用200、400、600、800号金相砂纸磨光。磨光时施加的压力大小要合适，在更换下道细砂纸时不必减少压力，因为在合适的范围内施加的压力大，磨光速率也大，而对损伤层的影响并不大。但是用力不宜过大，时间也不宜过长，以免试样表面产生新的损伤层，给抛光带来困难。磨样时要注意：在第一张砂纸上试样始终朝一个方向磨，换下一道砂纸的时候将试样旋转90°，同样只朝一个方向磨，直到将在上一道砂纸上磨出的磨痕磨光为止。每换一次砂纸都必须将试样清洗干净，不允许把上道工序的残留磨料带到下道工序去，经过这样磨光的试样，肉眼观察非常光滑，就像平面镜一样能产生反射，然后置于显微镜下观察，只有呈现出一个方向的细磨痕。（2）机械抛光试样经磨制后，及时进行抛光。常用的抛光方法主要有机械抛光、电解抛光和化学抛光。本实验采用机械抛光，在机械抛光中抛光盘由电动机带动，上面铺以抛光布，粗抛采用帆布呢或粗呢，精抛用绒布、细呢或丝绸，本事样采用绒布作为抛光布。抛光膏为在水中加入粒度为0.3-1.0微米的Cr2O3悬浮液，配比为5-10克/升。抛光时间不宜过长，以磨痕全部消除呈镜面即可停止，用水将试样表面清洗干净，然后用吹风机干燥后即可进行腐蚀。（3）腐蚀试样经抛光之后进行腐蚀，试样的腐蚀属于电化学侵蚀，晶粒之间、晶粒与晶界之间、各相之间甚至同一晶粒的不同部位之间，在化学腐蚀液中具有不同的电势，组成众多的微电池。电势较低处形成电池的阳极，溶解较快；电势较高处形成阴极，溶解较慢。其原因是抛光镜面在电化学腐蚀作用下，变得凹凸不平，从而对入射光线形成有选择的有规律的漫反射，显示出晶粒晶界、相和组织结构。对于单相合金来说，可以显示晶界和晶粒位相。同位相束中板条晶在金相腐蚀时以相同的方式受到腐蚀，在光学金相视场中形成均匀的块状结构。对于多相合金，相界具有类似的电化学效应，相界溶解较快。在相界与相，相邻的相之间产生不同的侵蚀速度，在抛光表面形成凹洼或着色，显示出相和组织。抛光表面在腐蚀前应该保持清洁，无水迹和油污。不同的材料显示不同的组织，应该选择合适的腐蚀液。腐蚀方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作时均应使腐蚀液均匀侵蚀样品表面，腐蚀时间的长短，依样品材料的不同而不同。一般而言，组织越弥散越易腐蚀，淬火钢、合金元素含量高的材料、不锈钢等组织腐蚀时间宜长些。腐蚀时间在相当程度上取决于制作经验，一般腐蚀到表面稍微发暗即可，腐蚀好的样品应立即用水冲洗干净，再用酒精擦洗干净后干燥，干燥后即可进行金相观察。本实验采用3%的硝酸酒精溶液腐蚀，在腐蚀的时候一定要注意观察侵蚀力度，避免侵蚀不够或者过度侵蚀。所有试样都采用上述方法进行磨制和侵蚀，备用。2.2.3 金相观察试样经腐蚀后，首先用金相显微镜观测金相组织，看能否观测到金相组织和金相组织是否清晰可见，如果不能观测或组织不够清晰应重新磨制原观测面后再抛光腐蚀，直至能清晰地看到金相组织。然后用OLMPUS-BH-2三目金相显微镜对每个试样的渗硼层、过渡层和基体照金相照片，记录好拍照时的放大倍数和试样编号，保存好照片记录好数据以备分析，实验结束后整理好实验仪器。2.2.4 显微硬度的测量 显微硬度计，实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测定之前，先准备好金相试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑两条对角线长度。仪器根据所加负荷及凹坑对角线长度就可自动计算出所测物质的显微硬度值。本实验加载载荷为1kg，加载时间为15s，加载和卸载完全自动化，每次测量后记录好试样编号和两对角线长度，输入到硬度计上面显示出显微硬度，记录好显微硬度值，重复操作，每个试样观测9个位置，包括渗硼层组织、过渡层组织和基体组织的显微硬度，整理好实验数据。操作硬度计的过程中要遵守操作规范，实验结束后整理好实验仪器。3 实验结果与分析3.1 渗硼层的显微组织观察渗硼层的显微组织如图3.1。从图中可以看出渗硼层全由白亮层和黑白相间的过渡区组成。很明显20钢的渗硼层比40Cr的厚。图3.1 渗硼层的金相组织（920×5h）(a) (c)20钢 (b) (d)40Cr 钢铁渗硼后，渗层由单相Fe2B相或者双相Fe2B、FeB相组成，典型的显微组织呈梳齿状，其方向与试样表面相垂直，齿尖插入基体组织中。硼化物的组织形态随着钢的成分和渗硼工艺的不同而变化。一般而言，随着碳原子和合金元素的增多，硼化物的针状楔入长度变短，与基体交界处变的平坦。合金元素对渗硼层的影响可分为两大类：一类能或多或少的与渗层结合，如：Cr、Ni、Mn、V、Mo、Co。另一类不能溶于渗层并被排斥到扩散层的前沿，如C、Si、Al、Cu。碳作为重要的合金元素，并不与渗层结合。它沿渗层前沿排斥到基体中。当硼含量足够高时会取代部分碳形成Fe3(C，B)和Fe23(C，B)6型含硼的渗碳体和合金元素铬能置换硼化物中的铁形成含铬的硼化物(Fe，Cr)2B和(Fe，Cr)B，铬在Fe2B中的最大溶解度为15%。铬含量越高，渗层厚度越薄，基体与渗层间的界面变的平坦。但含铬的硼化物硬度更高。镍与铬一样能置换硼化物中的铁形成(Fe，Ni)2B和(Fe，Ni)B。在其他条件相同的情况下，镍含量越高，渗层越薄。但镍的这种效应不如铬的明显，其溶入不能提高硼化物的硬度。铝和硅均不溶于渗硼层中，它们积聚在硼化物针的前沿，使过渡区变软，渗层缺乏基体的必要支撑。因此，含硅量高于0.8%的钢不适于渗硼。白亮层为硼化物层，由图3.1可知20钢的渗硼层的梳齿状明显,我们认为形成这种渗硼组织的原因是,对低中碳钢,在920 的条件下,已完全奥氏体化,碳原子溶解在-Fe的间隙中。由于成分起伏,即从微观上看,-Fe 中溶解的碳原子在数量上是不完全均匀的,而渗硼是一个先扩散、待硼浓度达到饱和后形成硼化物的过程,因此在硼原子渗入过程中,含碳量不同的-Fe对硼原子渗入的阻力是不同的,含碳量小的区域,渗硼的速度就快,反之则慢。另外,由于硼针在长大时,改变了-Fe中碳原子的间隙分布,碳原子向其他方向扩散,造成了更大的成分起伏。硼针左右和前方的碳原子浓度增加,抑制了左右硼针的生长速度,因此渗硼层出现了明显的梳齿状。硼针之间由于碳原子的集聚产生黑色组织。对高碳钢及合金钢也可能成为白色组织。图3.1中40Cr（200×）的白亮层为硼化物层，该层较薄，没有呈现柱状晶形态，其前沿较平齐，不呈现梳齿形状，渗层中存在空洞、疏松。这是由于钢中碳和合金元素Cr阻止了B原子的扩散，减小了硼化物择优取向性，同时Cr元素所形成的碳化物、硼化物也阻止了硼化物前沿向内的生长，故硼化物层薄且不呈齿状。渗层中存在空洞和疏松，是由于高温下材料表面“空位”浓度高，硼化物定向生长过程中空位被驱赶集成小孔，再加上钢中杂质或碳、硅原子、渗剂中的杂质原子被挤入小孔内或硼齿之间的缘故。硼化物层主要由FeB相、Fe2B相、(Fe、Cr)2B相、细小的(Fe、Cr)3C相和块状的(Cr、Fe)7C3相以及裹在(Cr、Fe)7C3相或(Fe、Cr)7C相表面的(Fe、Cr)23C6相组成。(Fe、Cr)2B相的出现是由40Cr钢中Cr元素含量较多，在渗硼过程中，部分Cr原子取代Fe原子形成(Fe、Cr)2B相。细小的(Fe、Cr)3C相和块状的(Cr、Fe)7C3相则是原始组织中的组成相。而(Fe、Cr)23C6相则是由富集于Fe2B相前沿的碳原子依附于 (Cr、Fe)7C3相或(Fe、Cr)3C相表面形成的。黑白相间的过渡区范围较窄，组织细小。该区主要存在有须状(Fe、Cr)2B相、块状(Cr、Fe)7C3相、粒状(Fe、Cr)3C相、岛状(Fe、Cr)23C6相及屈氏体等。这些碳化物及硼化物相的存在既强化过渡区的组织，又细化了过渡区的组织，从而提高过渡区对硼化物层的支撑作用，有利于硼化物层与心部的结合。3.2 显微硬度分析3.2.1 显微硬度从图3.2.1中可知:虽经两种不同材料的渗硼工艺处理，但渗硼层的显微硬度都呈梯度分布，硬度最高的部位都出在次表层，而非最外层，说明渗硼层均具有外表层疏松，中间致密的组织特征。而过渡区的硬度高于基体，是由于过渡区的碳、铬原子增多，使得过渡区的碳化物及屈氏体含量增多之故。