碳鋼表面預處理對硼鉻稀土低溫共滲的影響及其作用機理研究.pdf

1、滲硼技術尤其是固體滲硼技術，因其硼化物層具有優(yōu)越的性能，而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，成為工件表面強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的工業(yè)化應用。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，在工件表面進行預處理可以提高低溫共滲層深度，研究表面預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，采用快速多重旋轉碾壓技術和高頻感應加熱表面淬火工藝在其表面進行預處理，采用硼鐵型共滲劑進行表面預處理后硼-鉻-稀土低溫共滲實驗，研究表面預處理作用的機理，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、器對表面預處理試樣表層微觀結構、低溫共滲層組織結構和性能進行表征。
　　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行縮放;并以此低溫共滲劑進行共滲實驗表明，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展所需應力為輔線建立理論模型，表征表面預處理試樣表層微

4、觀結構的形成;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構的空間鍵絡，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。
　　表面預處理作用機理主要表現(xiàn)在對活性原子的吸附和擴散過程中;快速多重旋轉碾壓技術進行表面預處理后，因表面劇烈塑性變形導致變形層的晶粒拉長、嚴重變形、明顯細化，存在大量晶界（細晶的結果）、位錯和高應力區(qū)，為后續(xù)硼-鉻-稀土低溫共滲過程中硼原子擴散提供了更多的擴散通道和輔助能量，起到了輔助催滲的明顯效果;高頻感應加熱表面淬火工藝表面預處理后，表面淬硬層組織較基體（珠光體+鐵素體）組織明顯細化，硬度大幅度提高，而且淬硬層的內(nèi)應

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散提供了更多的擴散通道和輔助能量，起到了較明顯的輔助催滲效果。
　　對表面預處理前后硼原子擴散系數(shù)和擴散激活能進行計算表明，表面預處理后低溫共滲時硼原子擴散系數(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