低壓直流電場輔助滲硼

1、畢業(yè)設(shè)計（論文） 外文翻譯題 目低壓直流電場下低溫滲硼機制和特性研究專 業(yè)材料化學(xué)班 級材化122學(xué) 生唐 建指導(dǎo)教師葛利玲 教授級高工 2016 年低壓直流電場下適當溫度滲硼機制和特性Fei Xie，Li Sun, Jianwei Pana材料科學(xué)與工程學(xué)院，常州大學(xué)，常州，213164中國b常州市，常州大學(xué)，常州，213164，中國的先進金屬材料重點實驗室C懷德學(xué)院，常州大學(xué)，常州，213016，中國摘 要采用低壓直流電場（DCF）下低溫和中溫的溫度固體滲硼。為研究DCF輔助固體滲硼的特性和DCF加速固體滲硼的機制，樣品被放置在一個密封的固體滲硼容器的不同位置。測試結(jié)果表明，DCF不僅對作

2、為陰極的樣品增強固體滲硼效果，也包括位于陰極和陽極之間樣品。增強的程度隨樣品的位置而變化。獲得最強的增強效果在面向陽極的陰極樣品一側(cè)。表明DCF的物理效應(yīng)增加滲劑的化學(xué)反應(yīng)活性和含硼物的增加效率。DCF使作為陰極的樣品，周圍活性含硼物質(zhì)比其它任何位置都高，迫使活性含硼物質(zhì)快速擴散向陰極。由于DCF，帶電硼原子遷移至樣品使得樣品面向陽極一側(cè)更快生長出硼化物層。DCF的電磁效應(yīng)可以有助于在樣品中形成更多空位，這有利于硼在襯底的擴散。©版權(quán)所有2011 ElsevierB.V.141. 簡介滲硼是指多種金屬及其合金在表面產(chǎn)生硼化物層以提高表面硬度、耐磨損、抗氧化和耐腐蝕性的方法1-4。有多

3、種滲硼方法如固體、液體、氣體介質(zhì)的采用。固體滲硼，通常被稱為包覆滲硼，由于生成化合物表面質(zhì)量好，易處理和處理設(shè)備的要求少等優(yōu)勢被越來越廣泛地用于工件的處理。然而，固體滲硼要有較高的加工溫度（850-1050），工藝持續(xù)時間長（3-16小時）才能形成有效厚度的硼化表層的缺點。該工藝對介質(zhì)中的活性硼原子利用效率低因為固體滲硼容器壁也會作為活性硼原子的目標成分。因此，該工藝能量消耗大，浪費處理時間和處理費用高。為了克服這些缺點，已經(jīng)作出許多努力?；诘入x子體的技術(shù)，如輝光放電或冷的射頻（RF）等離子體工藝，已被用于加速硼擴散到被處理鋼和降低處理溫度5-7。鐵硼化物層是CK45和42CrMo4鋼在BC

4、l3-H 2氣體混合物中，在溫度低于873下脈沖直流等離子滲硼形成，但獲得的滲硼層只有幾微米厚。在約773溫度下使用Fe（CO5作為鐵前體和BCl3作為B的前體，F(xiàn)e2B和FeB層也可以通過等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PECVD） 7。相比于通過在同樣的溫度下常規(guī)滲方法形成的硼化物層，通過使用硼砂膏在等離子體糊劑滲硼過程產(chǎn)生較厚的硼化物層，因為等離子體活化作用使化學(xué)反應(yīng)更易進行8。已經(jīng)采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)切實降低了硼化溫度，并且還縮短了硼化時間，因為固體滲硼介質(zhì)的活化和工件的高電流放電9。加入一定多的活性介質(zhì)，如稀土，來降低固體滲硼溫度和縮短滲硼持續(xù)時間的另一種方法10。但它通常會導(dǎo)致裝填容器

5、的更早失效，成本增加，因為稀土類活性劑通常是有腐蝕性的昂貴鹵化物。流化床技術(shù)也被用于沉積硼化物涂層。它被稱作是一種簡單，環(huán)保，快速的硼化工藝11,12。直流電場（DCF）在固體滲硼被采用，其中被滲硼的樣品作為陰極并串聯(lián)到陽極上。在滲硼過程中調(diào)節(jié)直流電供應(yīng)在兩電極之間施加適當?shù)腄CF。已經(jīng)表明，滲硼工藝被極大增強。因此，可以降低處理溫度并且可以縮短保溫時間。滲硼劑的利用率也提高和滲硼的能量消耗減少13,14。在本研究中，普通的中碳鋼樣品放置在特殊的填充容器中，DCF增強固體滲硼技術(shù)。該滲硼試驗研究是為進一步揭示DCF的特性和促進作用的機制。在本文中，通過DCF輔助的固體滲硼縮寫為DCFPB，常規(guī)

6、固體滲硼寫作為CPB。2. 實驗實驗裝置主要部分的示意圖示于圖1。除部件11和部件12的偏導(dǎo)通線外，這部分的所有組件都在爐腔室中加熱。樣品是45鋼（0.45的C，標準狀態(tài)）制成，進行CPB并DCFPB。用的樣本的尺寸為10毫米×10毫米×5毫米，編號1到6放置的容器示于圖1。試樣1和5分別緊密地附著在陰極和陽極。15樣品到附近的試樣的距離為10mm以下。樣品6是附連到所述蓋壁到DCF的垂直距離為50mm。在某些場合5mm厚的45鋼陰極還作為樣品，這在如以下探討中將被稱為陰極樣品。所有樣品的表面清洗，滲硼之前除去表面的污染物。所述硼化介質(zhì)的主要成分為10 wt.%的Fe-B（

7、供硼劑），5 wt.%KBF4（活化劑），5 wt.%的炭（疏松劑）與相平衡的SiC（還原劑和填充物）。DCFPB的實現(xiàn)由施加DCF并用一定的電流在電極達到保溫溫度。CPB和DCFPB在單獨容器的爐中進行加熱。滲硼溫度從550至800，并施加0.5A至4 A的直流電在實驗中使用的電極上。所施加的電壓從大約10V至30V變化，取決于所需的電流和處理溫度。詳細的實驗參數(shù)在下面討論的結(jié)果給出。DCFPB和CPB過程的保溫時間總共4小時。所有硼化工序被重復(fù)兩次或三次。圖.1. 測試設(shè)備的原理（1-6：樣本）;7：蓋子8：粘土密封; 9：容器; 10：陽極; 11：電流可調(diào)直流供應(yīng)器; 12：導(dǎo)線; 1

8、3：陰極; 14：粉末滲硼介質(zhì)）。圖.2 DCF陰極樣品硼化物殼體厚度變化變，爐保溫溫度保持在700下4小時樣品的微觀結(jié)構(gòu)和滲硼表殼厚度由光學(xué)顯微鏡（OM）檢查。所有的DCFPB殼體厚度都在樣品的中間部分被測量。CPB樣品同樣也做了如此測試。獲得硼化物殼體平均厚度是從樣品的指狀硼化物頂端到表面的距離。處理過的殼層相的信息是通過光學(xué)顯微鏡（OM）觀察和使用Cu K射線的X射線衍射（XRD）分析所獲得。3. 結(jié)果與討論3.1 滲硼層厚度圖2給出了陰極滲硼樣品在700下DCF的電流對滲硼殼層厚度的影響。CPB表殼厚度只有約5微米。DCF使?jié)B硼表殼厚度大大增加。殼層厚度的增加幾乎成比例地隨DCF電流的

9、增加。由此可以看出，在面對陽極的一側(cè)的殼體厚度比在相反側(cè)厚得多。不同兩側(cè)的殼層厚度都隨DCF電流的增加而增加。圖.3.硼化物層厚度相對于加熱爐保溫溫度圖3顯示了爐溫對DCFPB陰極樣品和CPB樣品的滲硼層厚度的影響。所有樣品經(jīng)4小時的保溫處理。DCFPB使用的DCF電流為 3 A。DCF在這些溫度下增強作用被描述。CPB和DCFPB滲硼層厚度都隨爐溫增加而增加。DCFPB的急劇增加從650至700，而CPB類似的急劇增加，是從700至750的。在DCFPB中，面向陽極側(cè)面和相反側(cè)之間的硼化殼厚度差也是顯著的。圖4 與電極接觸和電極之間的樣品在爐中保溫4小時保持800和DCF電流保持在4A的滲硼

10、層厚度。圖4說明接觸于電極和電極之間的（樣品1至5）通過DCFPB在800用4 A的DCF電流處理下的滲硼層厚度?？梢园l(fā)現(xiàn)，是隨著距陰極距離的減小面向陽極的一側(cè)滲層厚度增加。而且都比CPB的大約60微米厚度厚。這表明該DCF對在陰極和陽極之間樣品和陰極樣品和與陰極接觸的樣品具有顯著的增強影響。這種增強效果從陽極到陰極變強。但被發(fā)現(xiàn)的滲硼厚度殼體在面朝陰極樣本之間沒有太大的差別，盡管他們是比CPB的略厚。樣品6，其被放置到蓋子的壁的硼化殼體厚度是大約40微米，因而甚至比CPB處理的更薄。這表明較少的硼原子被DCFPB容器的壁所吸收。3.2 滲硼層相組成和微觀結(jié)構(gòu)取決于硼化方法，硼化介質(zhì)的組合物，

11、硼化溫度，保溫時間以及被處理的基板的組成，單相或兩相硼化層的明確的成分是由滲硼形成在鐵基合金。單相層由Fe2B組成的，而雙相層由FeB的外相和Fe2B的內(nèi)相組成的15-17。因為不同的晶格結(jié)構(gòu)和硬度，在雙相硼化層FeB和Fe2B，可以通過仔細制備樣品用光學(xué)顯微鏡的觀察來揭示。FeB外相比Fe2B的內(nèi)相更暗16,17。圖5示出在爐溫800處理4小時硼化樣品的一些橫截面典型微結(jié)構(gòu)。對于附著到陰極的和電極之間的試樣硼化殼體包括FeB和Fe2B的兩相，更暗的FeB是殼體的外部分。FeB相的厚度增加，以及在整個硼化殼體中，從陽極到陰極變得致密。接觸到陰極的樣品的FeB相厚度大約是相應(yīng)的CPB樣品的兩倍（

12、參見圖5a，d）。那些DCFPB樣品中越來越厚FeB相是指圍繞樣品的含活性含硼物質(zhì)的濃度高和更多硼原子擴散進入襯底。在所有的樣品中幾乎沒有觀察到FeB相，在面對陰極的一側(cè)（參見圖5f-h）。單相Fe2B構(gòu)成在樣品6中的硼化物殼體（參見圖5e），這是另一種指示，沿樣品的較薄殼體厚度，活性含硼物質(zhì)的濃度是在遠離DCF的區(qū)域低。樣品表面的X射線衍射結(jié)果對應(yīng)于圖5a，e和h的示于圖6-A，并進一步通過OM觀察硼化物相的量和類型。圖。6-B給出了DCFPB在不同的保溫溫度和3A的電流處理4小時的陰極樣品一些XRD結(jié)果。根據(jù)Fe2B和FeB峰的變化，可以看出，在面向陽極側(cè)面的硼化殼體當處理溫度升高更多Fe

13、B相形成。圖5. 硼化樣品的橫截面的典型微觀結(jié)構(gòu)。（a、b、c分別是樣品1、2、3面對陽極的一側(cè)，硼化溫度 為800，DCF電流保持4A電壓保持22v，處理4小時；e是樣品6面對DCF的一側(cè)，硼化溫度 為800，DCF電流保持4A電壓保持22v，處理4小時；f、g、h分別是樣品2、4、5面對陰極的一側(cè), 硼化溫度 為800，DCF電流保持4A電壓保持22v，處理4小時）3.3. DCF的對固體滲硼的作用機制測試結(jié)果顯示，該DCF對位于容器不同位置的樣品和同一樣品的不同表面有不同的效果。DCF不僅可以增強包硼化到陰極樣品，還有位于陰極和陽極之間的樣品。但是樣品硼化被削弱遠不如DCF。提出DCF作

14、用在DCFPB的三個方面機制作為以下內(nèi)容。圖6.硼化樣品典型的XRD譜圖。 （A：1至3分別為樣品側(cè)對應(yīng)于圖5a中，a和h; B：為DCFPB陰極樣品面朝陽極在不同溫度下處理的）3.3.1.DCF對滲硼介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)的影響在CPB活性硼/含硼物質(zhì)是由在粉末介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。反應(yīng)強度主要取決于溫度當?shù)乃鼋橘|(zhì)的組分是固定的。直流電流流經(jīng)一定程度加熱的滲硼介質(zhì)。DCF的電磁功能還供應(yīng)額外的能量給介質(zhì)分子。分子的原子振動被增強。因此，介質(zhì)的分解和硼化劑之間的化學(xué)反應(yīng)因而提升，這增加了活性硼/含硼物質(zhì)的活性和濃度。以這種方式，DCF克服了CPB不能在較低溫度下由加熱的常規(guī)方法產(chǎn)生足夠所需的活性硼/

15、含硼物質(zhì)的缺點。3.3.2.DCF對硼化劑的硼擴散的影響在CPB活性硼/含硼物質(zhì)通過熱擴散隨機移動到待處理的樣品。該物質(zhì)的移動速度取決于處理溫度和粉末介質(zhì)的孔隙率。容器的內(nèi)壁吸收硼以樣品相同的方式?；钚耘?含硼物質(zhì)的產(chǎn)生通過滲硼劑的化學(xué)反應(yīng)，也可以被DCF電解成正離子如同加熱的效果。在CPB形成滲硼層化學(xué)反應(yīng)建議主要遵循以下方程。在滲劑中KBF4=BF3+ KF (1)2BF3+ FeB = 2BF2+ FeF2 (2)在樣品表面3BF2=B+2BF3 (3)B +2Fe = Fe2B (4)B +Fe2B = 2FeB (5)這里B代表活性硼原子。在硼化物的小層已形成之后，隨后擴散生長是由于

16、兩個部分的化學(xué)反應(yīng)17,18。B dif + Fe2B =2FeB (6)和Fe dif + FeB= Fe2B (7)這里B dif代表橫跨外FeB層擴散硼原子，和Fe dif代表從襯底擴散跨過該內(nèi)Fe2B層鐵原子。擴散控制條件下，而不是反應(yīng)控制，反應(yīng)（6）和（7）發(fā)生在兩個硼化物層的共同界面。因此，兩個硼化物層變厚是在它們的共同界面17,18。在CPB由化學(xué)式2產(chǎn)生的蒸汽BF2，通過熱擴散移動到試樣表面，而在DCFPB過程中，蒸氣BF2應(yīng)該是，至少部分地，由DCF離子化到B2+和 BF4+。DCF驅(qū)動那些B離子和活性正電含B自由基向陰極樣品擴散。L.G. Yu等。在利用放電等離子燒結(jié)（SP

17、S）技術(shù)研究滲硼，也認為電場的存在會引起硼的高速擴散，由于離子的高速遷移9。這種通過DCF驅(qū)動的擴散顯然比通過熱作用隨機簡單的擴散快，它使在陰極樣品周圍的硼原子濃度比DCF輔助的滲硼爐和CPB爐的任何位置都高，還相對的減少固體滲硼爐內(nèi)壁和樣品的無用表層對硼的吸收。這是個常識，這種平行平面電場強度分布不均勻。面對陽極一側(cè)附近的強度比靠近相反一側(cè)的高。在DCFPB中活性硼原子/含硼物質(zhì)的分布與電場強度分布相關(guān)聯(lián)。DCF的驅(qū)動作用由DCF電流和電壓，也由滲硼介質(zhì)的組成和成分影響。3.3.3.DCF對被處理樣品中硼原子擴散的影響直流電流流經(jīng)樣品也將會加熱樣品。樣品中的硼的擴散系數(shù)因而可以提高。樣品是厚

18、僅為5毫米，面朝陽極的樣品的溫度應(yīng)該是與相反的一面相同的。并且溫度對擴散系數(shù)的影響應(yīng)該兩側(cè)是一樣大的。然而，在圖中所示的結(jié)果。 2至4展示了雙方之間的明顯硼化物表殼厚度差異。因此，DCF的制熱效果不應(yīng)該是厚滲硼殼體的主要原因。以上所討論的應(yīng)該是主要關(guān)于厚度差和在陰極樣品的面朝陽極最厚的情況下的DCF對硼化劑中硼的擴散效果。此外，為了全面理解測試結(jié)果，這值得討論DCF對硼原子擴散進如樣品的其它影響。人們發(fā)現(xiàn)，通過加熱保持在奧氏體的狀態(tài)，直流施加到一個鐵碳合金時碳遷移向陰極 19。這表明，DCF可以驅(qū)動碳擴散入鋼。C-M Chen等人采用電流對錫/銀界面反應(yīng)的效果來研究20。當Sn和電子的擴散溢流

19、在同一個方向，發(fā)現(xiàn)-Ag3Sn相的生長率在Sn/Ag錫銀耦合反應(yīng)中增強，當它們在相反的方向時延遲。DCF中硼在樣品硼化過程也應(yīng)有相同的行為。硼遷移沿著與在硼化過程中樣品面對陽極的一側(cè)硼原子擴散相同方向。因此，DCF導(dǎo)致硼遷移促進了在面朝陽極滲硼殼層的增長。然而，樣品面對陰極的一側(cè)在處理中硼化殼體的生長應(yīng)該被抑制。因為DCF導(dǎo)致硼遷移方向與正常的硼擴散方向相反。當樣品靠近陰極時DCF導(dǎo)致遷移變得更強。該分析可以很好地解釋面對陰極和位于電極之間的樣品的反向側(cè)的側(cè)面之間的硼化殼體厚度差。活性含硼物質(zhì)在爐內(nèi)的分布和在DCFPB中DCF導(dǎo)致硼原子遷移的示意圖說明如圖7 DCF的電磁功能影響待處理樣品中的

20、原子熱運動和原子周圍的電子運動。這種影響有助于產(chǎn)生空位是一種晶格缺陷，這對樣品中的硼的擴散有很大幫助。事實上，Asoka-Kumar等.21通過利用正電子湮沒譜研究Al-Cu導(dǎo)線中的空位濃度，為電流的處理導(dǎo)致空位濃度增加提供了直接證據(jù)。研究脈沖直流電流在NbC擴散耦合中對原子擴散的影響，Takayuki Kondo等.22 還認為，直流電流可以增強點缺陷的濃度和擴散偶缺陷遷移率。這取決于多種因素，例如DCF的強度和處理的保溫溫度是否是足夠能顯著加速硼的擴散而產(chǎn)生的空缺。對于這些因素的參數(shù)必須存在閥值，如形成空穴克服能壘需要聯(lián)合的能量。能量勢壘是待處理的鋼本身的屬性，取決于鋼的成分和晶體晶格的類

21、型。它可以被用來解釋上述圖3分析，從650 °C 到 700 °C滲硼層厚度急速增加。能量勢壘在700 °C 和3 A DCF下被克服（見圖3）。 類似的現(xiàn)象也在對DCF增強包鍍鋁研究中發(fā)現(xiàn)23。爐溫對DCFPB也非常重要的。如果樣品和硼化介質(zhì)的溫度太低，僅通過施加DCF不能獲得足夠的硼化層(見圖3)。結(jié) 論（1）DCF對處于硼化爐不同位置的樣品有不同影響。并且樣品的表面面向陽極和反向表面的影響也不同。面向陽極的樣品的表面比反向表面的加速作用更強。加速作用在位于電極之間的樣本從陽極到陰極增大。沒有DCF樣品硼化被削弱。（2）DCF增加了含硼物質(zhì)的活性和生產(chǎn)率通過增

22、強硼化介質(zhì)粉末的化學(xué)反應(yīng)。DCF通過迫使帶正電荷的含硼物質(zhì)向陰極擴散，使陰極周圍的活性硼原子濃度比其他任何位置都高。DCF導(dǎo)致硼原子遷移加速樣品面向陽極的一側(cè)硼化層生長，同時減小相反側(cè)的硼化層生長。DCF的電磁效應(yīng)也許有利于樣品中形成更多空穴，這可以促進硼在樣品中的擴散。致謝感謝來自中國國家科學(xué)基金會的資金支持（批準號：51171032）。參考文獻1 H.-J. Hunger, G. Trute, Heat Treat. Met. 2 (1994) 31.2 U. Metin, O. Ibrahim, B. Cuma, H.U. Ahmet, S. Ingole, H. Liang, Vacu

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