稀土滲硼正交

1、稀土對(duì)感應(yīng)加熱滲硼的影響及工藝朱飛勇作者簡介 朱飛勇（1985），男，碩士生，從事材料表面化學(xué)熱處理研究。電話E-mail：zhufeiyong163。 陳祝平 楊光（集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門 3621021）摘要在感應(yīng)加熱滲硼的滲硼劑中添加氯化鑭稀土，可以改善Q345鋼滲硼組織，并增加滲硼厚度。在硼稀土感應(yīng)加熱滲硼中得到的共晶滲硼層，不僅層厚度有了很大的提高，而且其表層出現(xiàn)軟硬相配的組織結(jié)構(gòu)。通過硼稀土正交試驗(yàn)，并對(duì)試樣的厚度和硬度分布的兩方面進(jìn)行綜合分析，最佳工藝為：感應(yīng)加熱間隙a=19.5mm，有效感應(yīng)加熱時(shí)間t=8min，氯化鑭稀土添加量為3%，加熱功

2、率P=4140W。關(guān)鍵詞 感應(yīng)加熱；稀土；共晶滲硼層；催滲中圖分類號(hào) TG156.8+7文獻(xiàn)標(biāo)志碼 AEffect of RE On Induction Heating Boronizing and The ProcessZHU Fei-yong, CHEN Zhu-ping, Yang Guang(School of Mechanical Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)Abstract: Add lanthanum chloride RE into the boronizing paste when induction

3、 heating boronizing, it can improved boron tissue on Q345 steel, and increased the thickness of the boron layer. The eutectic boron layer which obtained from boron-RE induction heating boronizing, the thickness would be thicker and it would emerge soft-hard matching tissue structure. By boron-RE ort

4、hogonal test, analysing both the thickness and the distribution of the hardness, the best process shown that the induction gap a=19.5mm, the effective induction heating time t=8min, the additive amount of lanthanum chloride RE was 3%, the power P=4140W。Key words: induction heating; RE; eutectic Boro

5、n layer; accelerated boronizing0 前言滲硼一種表面硬化技術(shù)，是化學(xué)熱處理的一種，可以提高工件的硬度。滲硼的方法可分為液體、固體、氣體、等離子法齊寶森，陳路賓，王忠誠等.化學(xué)熱處理技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.356。其中電化學(xué)滲硼的溫度范圍一般在850-1000，可使低碳鋼的硬度由200±20HV提高到1700±200HV左右G. Kartal, O.L. Eryilmaz, G. Krumdick etc. Kinetics of electrochemical boriding of low carbon steelJ.Appl

6、ied Surface Science, 2011, 257, 6928-6934。滲硼層厚度隨著時(shí)間呈現(xiàn)拋物線方式增長M. Keddam, R. chegroune.A model for studying the kinetics of the formation of Fe2B boride layer at the surface of a gray cast ironJ.Applied Surface Science, 2010,256,5025-5030 ,I. Campos-Silva, M. Ortiz-Domnguez, M. Keddam. Kinetics of the

7、formation of Fe2B layers in gray cast iron: Effects of boron concentration and boride incubation timeJ.Applied Surface Science, 2009,255,9290-9295,M.keddam. Simulation of the growth kinetics of the (FeB/Fe2B) bilayer obtained on a borided stainlesssteelJ. Applied Surface Science, 2011,257,2004-2010。

8、金屬的滲硼層具有硬度高、耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性和紅硬性等特性 郭仁紅，許斌，張南南等.低溫固體滲硼工藝的研究現(xiàn)狀J.熱加工工藝，2008,37（18）：82-85,Roumiana S. Petrova, Naruemon, Veljko Samardzic. The Effect of Boronizing on Metallic for Automotive ApplicationsJ. Journal of Materials Engineering and Performance, 2008, 17(3), 340-345。滲硼層一般從表面到內(nèi)部可分為FeB、Fe2B、過渡區(qū)和基

9、體組織四個(gè)區(qū)域I. Campos-Silva, M. Ortiz-Domnguez, O.Bravo-Barcenas. Formation and kinetics of FeB/Fe2B layers and diffusion zone at the surface of AISI316 borided steelsJ. Surface & Coatings Technology, 2010,205,403412,M. Keddam. Simulation of the growth kinetics of the (FeB/Fe2B) bilayer obtained on a

10、 borided stainless steel.Applied Surface Science, 2011, 257, 20042010。通過單一滲硼得到的滲硼層存在組織不致密、脆性大以及滲層較薄的問題許斌，馮承明，宋月鵬.固體硼鉻稀土共滲組織與性能研究J.金屬熱處理.1998(6):23-26,王世清，王立鋒，楊愛華.稀土元素在熱處理中的應(yīng)用J.金屬熱處理，1990（12）：52-59,12 蘇振國，楊永利，田旭等.稀土元素對(duì)滲硼動(dòng)力學(xué)的影響J.機(jī)理大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，40（1）：82-86。因此通過在滲硼時(shí)添加稀土，可以實(shí)現(xiàn)催滲效果，降低滲硼溫度，改善滲硼層質(zhì)量，降低滲硼層脆性。在滲硼層

11、中添加稀土，可以能較好的實(shí)現(xiàn)低溫滲硼林祥豐，李向鋒，張瑞容.鋼的低溫稀土滲硼研究J.熱加工工藝，1996.5:8-11。伍玉嬌伍玉嬌，劉克家.多元滲硼層形態(tài)質(zhì)量和抗蝕性的研究J.貴州工學(xué)院學(xué)報(bào)，1995,24（4）：37-42等指出多元滲硼層形態(tài)質(zhì)量及抗蝕性都優(yōu)于單元滲硼層。因此在滲硼劑中添加少量稀土是解決這個(gè)問題的有效途徑。通過稀土物質(zhì)的作用，促使活性硼原子更多的滲入工件表層，從而改變滲層的性能。本文首先通過控制感應(yīng)加熱中的感應(yīng)加熱間隙、感應(yīng)加熱功率和有效感應(yīng)加熱時(shí)間來得到合適合理的稀土加入量，再通過正交試驗(yàn)得到最佳感應(yīng)加熱硼稀土共滲的工藝。1 試驗(yàn)1.1 試驗(yàn)材料本試驗(yàn)所用的材料是Q345

12、結(jié)構(gòu)鋼，它的化學(xué)成分（以百分含量計(jì)算）如下：18% C，1.15% Mn，0.41%Si，0.016% P，0.0096% S。試驗(yàn)尺寸為F14mm×25mm。采用GSB-I型膏劑滲硼劑，其成分主要包括碳化硼、氧化硼、氟化硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和胡椒粉。在硼膏劑中添加氯化鑭稀土，涂在膏劑外層保護(hù)層材料為水玻璃和耐火土。1.2 試驗(yàn)方法1.2.1感應(yīng)加熱硼稀土共滲中稀土量的選擇感應(yīng)加熱滲硼所用設(shè)備為MGPS-0-30半導(dǎo)體變流裝置，此滲硼用于感應(yīng)加熱，它的頻率范圍為14KHz30KHz。滲硼劑中氯化鑭稀土的添加量分別為1%，2%和3%，為占滲硼劑的百分含量。試樣采用控制變量法

13、變化稀土的百分含量，其他不變的工藝條件：感應(yīng)加熱間隙a=23.5mm，感應(yīng)加熱功率P=3900W，有效加熱時(shí)間（不包含預(yù)熱時(shí)間）t=8min。1.2.2 感應(yīng)加熱硼稀土共滲正交試驗(yàn)從1.2.1試驗(yàn)結(jié)果來看，滲硼隨著稀土的增加而增加。因此需要擴(kuò)大稀土加入量和稀土加入量之間的間隔。為了整體分析各因素對(duì)感應(yīng)加熱硼稀土共滲的影響，試驗(yàn)采用四因素三水平的正交試驗(yàn)。各因素分別為感應(yīng)加熱間隙a(mm)，感應(yīng)加熱功率P（W），有效感應(yīng)加熱時(shí)間t(min)和氯化鑭的添加量c(%)，各因素的水平值見表1。表1 感應(yīng)加熱滲硼因素水平表Tab.1 induction heating boronizing factor

14、 level table因素感應(yīng)間隙（mm）加熱時(shí)間(min)稀土添加量（%）功率（W）水 平123.5733380221.5853900319.59741402 試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 稀土加入量的確定及機(jī)理分析2.1.1 滲硼層顯微組織分析按照金相試樣制作的方法把滲硼后的試樣制作成金相試樣韓德偉，張建新.金相試樣制備與顯示技術(shù)M.長沙：中南大學(xué)出版社.2005.50-151。制成金相試樣后，把試樣放于DZ4型連續(xù)變焦顯微鏡觀察，觀察結(jié)果如圖1。由圖1可知：硼化層呈連續(xù)鋸齒形結(jié)構(gòu)，以長短部件的方式鍥入基體。圖1(a)為4%硝酸酒精溶液腐蝕的形貌，而圖1(b)通過苦味酸鈉溶液腐蝕的形貌?？辔端徕c

15、是通過苦味酸:5克，NaOH:25克，H2O:100克配制而成，腐蝕的時(shí)候浸蝕溫度為35，時(shí)間為30秒王國佐，王萬智.鋼的化學(xué)熱處理M.北京：中國鐵道部出版社,1980.284-308。對(duì)比圖1(a)和圖1(b)可知：與未在膏劑中添加氯化鑭稀土滲硼后的的滲層相比，添加1%的氯化鑭稀土的滲硼層表層組織結(jié)構(gòu)更加致密，連續(xù)性更好，空洞少，滲層厚度更厚。因此，加入稀土可以改善滲層的組織性能。圖1 滲硼層顯微組織圖Fig.1 Boronizing layer microstructure tissue chart2.1.2 滲硼層厚度測量滲硼層的厚度隨氯化鑭稀土在膏劑中百分含量的變化情況如圖2所示。由此

16、可知，滲硼厚度隨著氯化鑭的增加而增加，雖然增加幅度有所放慢，但是還是一直在增加。因此，下一步試驗(yàn)主要是增加氯化鑭稀土在膏劑中的含量，并增大稀土添加量之間的間隔來得到最佳稀土催滲工藝。2.1.3 稀土對(duì)滲層的作用機(jī)理分析鐘華仁.鋼的稀土化學(xué)熱處理M.北京：國防工業(yè)出版社，1998,193-204從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，添加氯化鑭稀土后，滲硼層的厚度增加了，并且顯微組織結(jié)構(gòu)也有了一定的改變。這主要是由于稀土對(duì)滲劑分解、對(duì)表面吸附以及對(duì)擴(kuò)散三個(gè)方面起了作用所致。2.1.3.1 稀土對(duì)滲劑的分解的作用稀土元素電子層的特點(diǎn)是4f層沒有填滿，顯示出較大的有效電荷，這就決定它對(duì)感應(yīng)加熱滲硼有催化作用。在感應(yīng)加熱滲硼

17、熱處理時(shí)，在滲劑中加入稀土，能催化滲劑的反應(yīng)，加速滲劑的分解，在其單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的活性原子，提高滲硼的“硼勢(shì)”，促進(jìn)滲層的形成。稀土元素對(duì)H、O等有極強(qiáng)的化學(xué)親和力，并且稀土與硼酸鹽形成的自由能負(fù)值大，可加速滲劑的分解。如式1和式2就說明稀土可以加速滲劑的分解。2RE+B2O3RE2O3+2B (1)3RE+BF33REF+B (2)2.1.3.2 稀土對(duì)界面吸附的影響由于稀土的加入，是工件表面得到凈化，從而有利于稀土原子和欲滲元素原子的吸附。而稀土原子的吸附又起到了活性中心的作用，使表面吸附濃度大為提高，促進(jìn)了擴(kuò)散過程。2.1.3.3 稀土對(duì)擴(kuò)散的影響由于稀土滲入后，可產(chǎn)生大而多的輸送渠

18、道，可減少硼原子在擴(kuò)散是所需消耗的摩擦功。而且，稀土原子在擴(kuò)滲過程中具有導(dǎo)致活化硼原子數(shù)目增多，活度增大，化學(xué)位提高，增大了硼原子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的作用?？梢哉J(rèn)為，稀土元素的催滲作用主要在于增加活性硼原子數(shù)目、活化硼原子化學(xué)鍵力和增大輸送渠道的綜合作用，促進(jìn)了滲硼過程，縮短了滲硼時(shí)間。稀土加入量于滲層厚度之間的關(guān)系Fig.2 the relationship between RE addition and the thickness of the boron layer2.2 正交試驗(yàn)在本實(shí)驗(yàn)中，因素為4個(gè)，水平取三個(gè)。由于在控制變量法試驗(yàn)過程中，滲硼層都隨稀土增長而增長，因此在正交試驗(yàn)中取稀土含量

19、為3%、5%和7%三個(gè)水平，選用L9(34)交互作用正交表，見表2。表2 正交試驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal test table序號(hào)因素滲硼厚度/mA(感應(yīng)間隙)B(加熱時(shí)間)C(稀土添加量)D(功率)1111120.862122235.863133337.7942123265.76(共晶)5223130.2662312140.14(共晶)73132238.58(共晶)83213260.01(共晶)93321133.39(共晶)K1/m94.51525.20421.01190.51K2/m436.16326.13441.01515.39K3/m637.98317.32306.6356

20、3.56k1/m31.50175.07140.3463.50k2/m145.39108.71147.00171.80k3/m212.66105.77102.21187.85R/m181.1669.3044.79124.35由表2的數(shù)據(jù)可知，R感應(yīng)間隙R功率>R加熱時(shí)間>R稀土添加量。極差越大，表示該列因素因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的感應(yīng)間隙這一列的因素是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果最大，為主要因素。由于滲硼溫度對(duì)硼膏劑分解形成活性硼原子及硼原子能否進(jìn)入鋼鐵表面起著主要作用。而在感應(yīng)加熱滲硼過程中，感應(yīng)間隙和加熱功率都對(duì)滲硼溫度有直接的作用。從試驗(yàn)結(jié)

21、果來觀察，感應(yīng)間隙對(duì)溫度的影響比功率影響會(huì)更大一些，它能使是溫度上升的更快。感應(yīng)加熱時(shí)間對(duì)滲層厚度的厚度的影響主要是在活性硼原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼鐵表面時(shí)，時(shí)間越長，進(jìn)入鋼鐵表面的硼原子越多，從而使得滲層厚度增加。加熱稀土的作用主要的加速滲硼劑的分解以及硼原子的吸附和擴(kuò)散。因此根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，單從滲硼層厚度角度出發(fā)，選取每個(gè)因素的K1，K2，K3中最大值對(duì)應(yīng)的那個(gè)水平，從表2比較得：A2B1C2D3。2.3 滲硼層硬度分析采用添加1%的氯化鑭稀土和未加稀土的兩種滲硼劑，通過感應(yīng)加熱滲硼，在感應(yīng)間隙a=23.5mm，加熱功率P=3390W，有效感應(yīng)時(shí)間t=8min，并把感應(yīng)加熱滲硼所得的樣品做成金相試樣。把所制成的金相試樣使用HV-1000顯微硬度計(jì)測試其顯微硬度，測量時(shí)載荷為25gf，加載時(shí)間為15s，測試結(jié)果匯成折線圖，如圖3。從測試結(jié)果看，加在膏劑中添加1%氯化鑭稀土與未加稀土的樣品相比，它的滲層厚度有了一定的增加，并且硬度下降趨勢(shì)有所減緩。因此在感應(yīng)加熱滲硼時(shí)，在膏劑中添加氯化鑭稀土與未添加稀土所得的試樣相比，其滲硼層的質(zhì)量有了明顯的改善。圖3 添加稀土與未加稀土滲層硬度折線圖Fig.3 Add RE and