碳鋼表面預(yù)處理對硼鉻稀土低溫共滲的影響及其作用機(jī)理研究.pdf

1、滲硼技術(shù)尤其是固體滲硼技術(shù)，因其硼化物層具有優(yōu)越的性能，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，成為工件表面強(qiáng)化最常用的方法之一。高溫滲硼后工件表面變形較大，滲硼層脆性較高，易剝落等問題大大限制了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。固體低溫多元滲硼在解決上述問題的同時，提供了滲硼技術(shù)新的研究方向，但存在低溫共滲層較淺的難題。實驗表明，在工件表面進(jìn)行預(yù)處理可以提高低溫共滲層深度，研究表面預(yù)處理對低溫共滲層生長的影響，對固體低溫多元滲硼的工業(yè)化應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。<

2、br>　　本文以低中碳鋼為實驗材料，采用快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓技術(shù)和高頻感應(yīng)加熱表面淬火工藝在其表面進(jìn)行預(yù)處理，采用硼鐵型共滲劑進(jìn)行表面預(yù)處理后硼-鉻-稀土低溫共滲實驗，研究表面預(yù)處理作用的機(jī)理，共滲工藝為600℃×6h和650℃×6h。利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(TFESEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、電子顯微硬度計(EMHT)、聲發(fā)射儀(AE)等測試儀

3、器對表面預(yù)處理試樣表層微觀結(jié)構(gòu)、低溫共滲層組織結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。
　　以45鋼為基體，在滲硼溫度為650℃、時間為6h工藝下，利用均勻設(shè)計法優(yōu)化的最佳低溫共滲劑主要組分為氯化鑭為4％、氟硼酸鉀為5％和高碳鉻鐵為5％，其它組分按照原比例進(jìn)行縮放;并以此低溫共滲劑進(jìn)行共滲實驗表明，可以得到連續(xù)、均勻、致密、較深的低溫共滲層組織。
　　以晶粒尺寸變小為主線，以位錯運動和裂紋擴(kuò)展所需應(yīng)力為輔線建立理論模型，表征表面預(yù)處理試樣表層微

4、觀結(jié)構(gòu)的形成;通過表征，發(fā)現(xiàn)表面納米化處理試樣表層存在約為60μm的塑性變形層，存在大量的位錯、少量的孿晶以及非晶區(qū);晶粒細(xì)化到納米量級，對20鋼來說，不同時間表面納米化處理試樣表層晶粒尺寸約為90nm-100nm、72nm-80nm和24nm-30nm;對45鋼來說，分別為113nm-120nm、94nm-100nm和31nm-40nm。
　　表面納米化處理后低溫共滲實驗表明，表面納米化處理明顯改善了低溫共滲效果，低溫共滲層呈柱

5、狀生長，方向與試樣表面垂直，硼齒致密、直長、連續(xù)、均勻，存在較少的封閉孔洞，與基體的結(jié)合牢固;與未表面納米化處理相比，低溫共滲層深度明顯增加，對20鋼來說，600℃共滲時，不同時間表面納米化處理試樣低溫共滲層平均深度分別提高到1.9倍、3.3倍和4.9倍;650℃共滲時，分別提高到1.4倍、1.8倍和2.8倍;對45鋼來說，600℃共滲時，分別提高到1.4倍、1.7倍和2.5倍;650℃共滲時，分別提高到1.4倍、1.6倍和2.6倍。<

6、br>　　表面淬火處理后低溫共滲實驗表明，表面淬火處理能夠改善低溫共滲效果，但遜色于表面納米化處理;實驗結(jié)果表明，低溫共滲層無明顯的柱狀晶特征，與基體之間存在縫隙，表層存在少量孔洞;但連續(xù)性、均勻性和致密性較好，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象;低溫共滲層深度也得到增加，對20鋼來說，600℃共滲時，不同時間表面淬火處理后試樣共滲層平均深度分別提高到1.4倍、1.6倍和2.9倍;650℃共滲時，分別提高到1.3倍、1.6倍和1.9倍;對45鋼來說，600

7、℃共滲時，分別提高到1.3倍、1.7倍和2.0倍;650℃共滲時，分別提高到1.2倍、1.3倍和1.5倍。
　　稀土元素參與整個低溫共滲過程，起到了催滲作用，鉻元素改善低溫共滲層結(jié)構(gòu)的空間鍵絡(luò)，降低其脆性;TFESEM及能譜分析表明，表面納米化處理試樣表層中存在的納米晶粒，參與了低溫共滲過程;Cr元素主要分布在低溫共滲層中，分布不均勻;La元素主要分布在柱狀晶頂端、晶界處以及孔洞處（表面淬火處理時，分布在低溫共滲層和孔洞處），在孔

8、洞處富集的較多;利用XRD分析表明，60min表面納米化處理（14s表面淬火處理）后45鋼650℃低溫共滲層的相組成主要為Fe2B相;采用兩種辦法測試的低溫共滲層脆性實驗表明，表面預(yù)處理后低溫共滲層的脆性降低，聲發(fā)射信號峰值幾乎不存在，En與P基本呈線性關(guān)系，經(jīng)計算K值，低溫共滲層脆性較單元滲硼層分別降低了40％和37％;利用顯微硬度計測量發(fā)現(xiàn)，共滲后試樣顯微硬度沿著垂直于表面方向由表及里先提高后降低，最外層較高，次外層最高，且硬度梯度

9、較小。
　　表面預(yù)處理作用機(jī)理主要表現(xiàn)在對活性原子的吸附和擴(kuò)散過程中;快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓技術(shù)進(jìn)行表面預(yù)處理后，因表面劇烈塑性變形導(dǎo)致變形層的晶粒拉長、嚴(yán)重變形、明顯細(xì)化，存在大量晶界（細(xì)晶的結(jié)果）、位錯和高應(yīng)力區(qū)，為后續(xù)硼-鉻-稀土低溫共滲過程中硼原子擴(kuò)散提供了更多的擴(kuò)散通道和輔助能量，起到了輔助催滲的明顯效果;高頻感應(yīng)加熱表面淬火工藝表面預(yù)處理后，表面淬硬層組織較基體（珠光體+鐵素體）組織明顯細(xì)化，硬度大幅度提高，而且淬硬層的內(nèi)應(yīng)

10、力明顯升高，這些也為后續(xù)硼-鉻-稀土低溫共滲過程中硼原子擴(kuò)散提供了更多的擴(kuò)散通道和輔助能量，起到了較明顯的輔助催滲效果。
　　對表面預(yù)處理前后硼原子擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能進(jìn)行計算表明，表面預(yù)處理后低溫共滲時硼原子擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)明顯提高，600℃共滲時，分別為3.9×10-13m2/s、11.5×10-13m2/s、27.9×10-13m2/s;650℃共滲時，分別為7.3×10-13m2/s、12.9×10-13m2/s、33.1×1