鋼硼鋁共滲材料研究畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文(設計)題 目: T10鋼硼鋁共滲新工藝的研究13 / 18畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名： 日 期：指導教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解工學院關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷

2、本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：畢業(yè)論文（設計）任務書班 級：材料012班 姓 名： 達吾提 論文（設計）題目：T10鋼硼鋁共滲新工藝的研究 專 題：論文（設計）來源：自擬題目要求完成的容：1、通過正交試驗制定共滲工藝 2、加熱溫度和保溫時間對共滲層的影響 3、分析硼鋁共滲機理 4、分析活化劑在硼鋁共滲中的作用5、分析滲層中鋁的擴散機制6、分析稀土在硼鋁共滲中的作用 7、撰寫圖文并茂的研究論文發(fā)題日期：2006年

3、 4 月3日 完成日期2006年6 月 12日實習實訓單位： 地點：論文頁數(shù)： 14 頁； 圖紙數(shù)：指導教師：教研室主任： 院長（系主任）：摘 要在本研究中對模具鋼進行硼鋁共滲，研究了硼鋁共滲工藝，不同工藝參數(shù)對滲層厚度、金相組織與性能的影響。在試驗研究中采用了正交試驗分析法，結(jié)果表明,對硼鋁共滲影響的主要因素是加熱溫度和保溫時間。在本研究過調(diào)整工藝參數(shù)，控制了共滲層的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的耐磨性、抗高溫氧化性和低脆性。論文中討論了硼鋁共滲原理、滲層中鋁的擴散機制、稀土和活化劑的作用。稀土的滲入也加速了硼原子的擴散速度，增加了鋁原子的滲入量。關鍵詞：硼鋁共滲；稀土；共滲層目 錄前言11.

4、國外現(xiàn)狀22. 試驗方法與條件32.1 試驗材料與設備32.2 固體硼鋁共滲的方法32.3 實驗方案33. 試驗結(jié)果與分析43.1 極差分析43.2 加熱溫度對滲層厚度的影響63.3 保溫時間對滲層厚度的影響73.4 滲層顯微硬度分布74討論84.1 硼鋁共滲原理84.2 固態(tài)硼鋁共滲介質(zhì)的反應94.2.1 滲B介質(zhì)反應94.2.2 滲A1介質(zhì)反應94.3 滲層組織與相結(jié)構(gòu)94.4 滲層中鋁的擴散機制104.5 鋁和碳的作用114.6 稀土元素的作用114.7 活化劑的作用125. 結(jié)論12致13參考文獻錯誤！未定義書簽。前 言本論文的研究意義：模具質(zhì)量直接影響其壽命，稀土硼鋁共滲技術(shù)與其熱處

5、理在模具上的應用，為提高模具使用壽命開辟了有效途徑。用于金屬材料表面改性的離子注如技術(shù)，如鋼的離子氮化鋼的固體滲硼與硼鋁共滲，以其特有的性能在模具工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應用，但隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)這些表面強化方法各有其不足之處，有關研究報道，鋼的稀土硼鋁共滲層具有高的耐磨性、抗高溫氧化性和抗熱疲勞性能，較低的脆性，因而引起人們的重視。實踐中，人們已認識到硼與其它元素共滲，比單一滲硼能獲得更好的使用性能，因此，稀土硼鋁共滲用于模具表面強化，特別是能夠耐高溫疲勞和抗氧化的共滲工藝的研究已引起人們的重視，并逐漸用于生產(chǎn)。本研究通過對T8鋼進行硼鋁共滲，探討和對比淬火法，固體滲硼法的耐磨和抗氧

6、化性，期望在模具的工作表面上形成一層高性能的共滲層，從而達到提高模具使用壽命的目的。在本題目中將對模具鋼進行硼鋁共滲，研究硼鋁共滲新工藝，不同工藝參數(shù)對滲層厚度和組組結(jié)構(gòu)的影響，通過調(diào)整工藝參數(shù)，控制共滲層的組織結(jié)構(gòu)，擬獲得所需要的耐磨性、耐蝕性和耐熱性。研究目標和研究容：本題目將滲層中鋁的擴散機制、硼鋁共滲原理、稀土元素和活化劑作用等方面進行深入的理論研究。本文以T8鋼為例,采用固體粉末法，對硼鋁共滲層的工藝，組織和性能進行研究，并對Al在共滲層中的作用進行探討。為降低共滲層的脆性、提高共滲層的耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗氧化性提供可靠的理論保證。擬解決的關鍵問題：找出最佳的共滲劑成分和共滲工

7、藝。技術(shù)路線：1.共滲劑成分的確定,并分析共滲劑對組織和性能的影響；2.共滲工藝的確定，并分析溫度和時間對滲層厚度的影響；3.滲層顯微硬度的測定；4.對硼鋁共滲原理、滲層中鋁的擴散、稀土元素和活化劑的作用等方面進行理論研究。1. 國外現(xiàn)狀滲硼工藝自誕生至今已有100多年的歷史，此間國外的同行們創(chuàng)造發(fā)明了許多滲硼方法（如固體粉末滲硼、氣體滲硼、膏劑滲硼、鹽浴滲硼等）和工藝，其中因固體滲硼具有工藝操作方便、使用設備簡單、質(zhì)量易控制等優(yōu)點，滲硼層硬度高、耐磨性佳、紅硬性好，且有一定耐蝕性，雖已在某些冷作模具上獲得較好效果，但滲層脆、致密性差，因而制約了其應用1。滲硼層的脆性，除其本身結(jié)構(gòu)因素外，主要

8、取決于硼化物與體間的比容差。滲硼層致密性一般較差，齒狀硼化物間疏松明顯，導致抗氧化能力降低，不適應熱作模具的服役條件.因此，國外已有人針對這一情況開展了B-Al共滲研究，取得了一些重要結(jié)果2。鋼的硼鋁共滲層具有高的耐磨性和抗高溫氧化性、較低的脆性,因而已引起人們的重視,并應用于生產(chǎn)。作者3通過掃描電鏡、能譜分析、X射線衍射分析等方法，對4Cr5MoSiV1鋼硼鋁稀土共滲層組織與性能進行了研究。研究結(jié)果是共滲層主要由FeB相構(gòu)成，沒有發(fā)現(xiàn)(Fe，Al)B或(Fe，Al)2B物相；共滲層組織連續(xù)致密，具有很高的顯微硬度和熱硬性。唐明華等4研究了3Cr2W8V鋼稀土硼鋁共滲工藝和性能，通過稀土硼鋁共

9、滲在模具的工作帶上形成一層高性能的共滲層，滲層表面硬度可達18002000HV，取得良好效果。作者5在文中，研究了滲硼溫度、供硼劑種類、活化劑種類與其含量對滲硼層厚度和質(zhì)量的影響，并對硼砂型滲硼劑中加入硅鐵作為還原劑對滲硼效果的影響也進行了研究。結(jié)果：溫度與供硼劑種類是45鋼滲硼的主要影響因素；45鋼滲硼的最優(yōu)工藝方案為：供硼劑選用B4C+稀土，活化劑為Na3AlF6，活化劑含量為20%30%，溫度為950；以硼砂為供硼劑的滲硼劑中加入硅鐵粉能提高滲硼層的厚度與滲硼質(zhì)量。吉澤升6在稀土對硼鋁共滲滲層相組成的影響的研究中，通過X射線衍射，透射電鏡衍射與能譜分析表明，共滲初期滲層主要由Fe2B相組

10、成，加稀土后檢測到了(Re0.65，F(xiàn)e0.35)23B6化合物；共滲4h滲層主要由Fe2B相+少量FeB相級成，在加入稀土后的硼鋁共滲層中，檢測到了稀土化合物(Fe0.8,Re0.2)6B，發(fā)現(xiàn)A2Fe的晶面間距有所增大。對硼化物的形成進行了分析，由于Al，C，稀土等化合物的形成阻礙了位錯的運動，稀土的晶界強化，位錯強化和固溶強化是加入稀土后硼鋁共滲層性能提高的主要原因。永昌等7研究了ReMg合金對固體粉末法硼鉻鋁共滲層成分、組織和性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著ReMg合金加入量的增加。滲層中Al2O3的量不斷增多，當ReMg合金加入量為5%時，滲中出現(xiàn)連續(xù)致密分布的Al2O3黑區(qū)組織，對此進行了性能

11、測試和機理探討。凱軍等8采用正交試驗方法優(yōu)化4Cr13鋼滲硼的滲硼劑和工藝參數(shù)，獲得了良好的效果。優(yōu)化后滲硼層組織致密，表面稍有疏松，硼化物顯微硬度壓痕完整，降低了滲層脆性；硼化物層主要由Fe2B、(Fe,Cr)2B相和少量的FeB相組成，過渡區(qū)形成Fe3(C,B)、Fe4N相與Cr的碳化物，不存在軟帶現(xiàn)象，有效地強化了對硼化物層的支撐作用，有利于硼化物層與基體的結(jié)合；滲硼試樣的耐磨性明顯高于直接淬火樣。項東等9通過對鋼單滲硼層和稀土硼鉻共滲層的硬度脆性和磨損特性進行研究，結(jié)果表明，稀土硼鉻共滲層在保留了單滲硼層高硬度的同時，明顯降低了脆性(約為42.7%)，使共滲層的粘著磨損、疲勞磨損和磨粒

12、磨損性能都得到較大的提高，有較強的實用性。耿香月等10研究了共滲層厚度、結(jié)構(gòu)與性能的機理，結(jié)果他們獲得的兩種滲層的耐磨、耐氧化與耐蝕性高，優(yōu)于單元滲硼。2. 試驗方法與條件2.1 試驗材料與設備本實驗采用T10鋼作為實驗對象，自圓棒材中切取尺寸為Ø16mm×25mm的金相組織觀察試樣。使用了現(xiàn)成的供硼劑，其中包括Na3AlF6、CaF等活化劑，向滲硼劑中加入一定量的純鋁和稀土作為共滲劑。根據(jù)理論分析，確定硼鋁共滲溫度、保溫時間、純鋁和稀土含量為主要工藝因素。選用L9(34)正交表，表頭設計見表1。將按比例配置好的滲硼劑包裹試件，將試件與滲硼劑放入坩堝，用潤泥土進行密封然后放

13、入SX-10-13箱式電阻爐中，在750950的溫度圍，加熱保溫24小時，取出坩堝，空冷至室溫。用砂輪將試樣磨平，然后用拋光紙和拋光機進行拋光。使用HX1型顯微硬度計和hxd-1000tb 型視頻維氏硬度機對T8鋼共滲試樣進行顯微硬度測試，用XJZ-6A型金相圖象分析儀進行金相組織的拍照，并對共滲層進行化學成分微區(qū)分析。2.2 固體硼鋁共滲的方法本實驗中我們采用填充法。填充法是將工件埋入填充有粉末或粒狀滲硼劑的滲箱里，加蓋密封后進行加熱硼鋁共滲，粉末共滲劑由滲硼劑、滲鋁劑、活化劑、填充劑四部分組成。用粒狀滲硼劑滲硼時則需加入粘結(jié)劑，用一定方法制成粒狀。以硼砂、硼酸或硼醉為供硼劑的滲硼劑，還應添

14、加還原劑。2.3 實驗方案為了順利完成這次實驗我把實驗分成了幾個方案：膏劑刷涂試樣表面4×5mm，共滲溫度750950，保溫時間2h4h，最后空冷。表1 L9(34)表頭設計因素水平平溫度()（A）鋁含量(%)(B)稀土含量(%)(C)保溫時間(h)(D)175022228504433950864表2 實驗具體容種類編號溫度()鋁的含量(%)硼的含量(%)稀土含量(%)保溫時間(h)1750298222750496433750892644850298635850496246850892427950298448950496629950892233. 試驗結(jié)果與分析影響硼鋁共滲層厚度與質(zhì)

15、量的主要工藝因素從正交實驗結(jié)果（表3）的極差分析（表4）和（表5）可以看出。表3 L9(34) 正交試驗結(jié)果種類編號溫度()鋁的含量(%)稀土含量(%)保溫時間(h)滲層厚度（um）滲層硬度（HV）金相形滲層27504430270無滲層37508640260無滲層4850263371772小鋸齒形5850424441620較小的鋸齒形6850842371437小鋸齒形79502441101892明顯的鋸齒形8950462572289較明顯鋸齒形9950823701950較平滑3.1 極差分析滲層厚度極差分析計算過程：R=Rmax-Rmin=79-0=79(um)R=R

16、max-Rmin=49-30=19(um)R=Rmax-Rmin=49-31=18(um)R=Rmax-Rmin=51-31=20(um)表4 滲層厚度極差分析因素滲層厚度水平（A）(B)(C)(D)10493831239344936379303151R79191820滲層硬度極差分析計算過程：R=Rmax-Rmin=2044-266=1778（HV）R=Rmax-Rmin=1393-1216=177（HV）R=Rmax-Rmin=1440-1200=240（HV）R=Rmax-Rmin=1420-1257=163（HV）表5 滲層硬度極差分析因素滲層硬度水平ABCD1266131013501

17、3312161013931200142032044121614401257R1778177240163根據(jù)滲層厚度極差分析得到的結(jié)果：影響滲層厚度與質(zhì)量的工藝因素的主次關系為：硼鋁共滲溫度保溫時間鋁含量稀土含量。根據(jù)滲層厚度平均值得知，最優(yōu)方案：加熱溫度為950，純鋁加入量為2%，稀土加入量為4%，保溫時間為4h。為什么不根據(jù)滲層硬度確定呢？因為做實驗時只打了一次硬度，后來發(fā)現(xiàn)只打一次硬度不夠，最小打三次才準確。所以只根據(jù)滲層厚度來確定。隨著滲硼溫度的升高，共滲劑與活化劑的化學反應越迅速和充分，所析出的活性硼原子和鋁原子的數(shù)量越多；硼鋁共滲溫度的升高還使元素熱擴散現(xiàn)象加劇，提高了硼原子和鋁原子

18、的活性和擴散速度，增加了硼原子和鋁原子在鋼表面的沉積率，因此硼鋁共滲層越厚，同時滲層組織排列也緊密，滲層質(zhì)量較好。本實驗條件下，T8鋼滲硼最佳溫度是950。在所選定的共滲劑中，B4C+Al+適量稀土的共滲劑效果最好，滲鋁效果最差。原因是硼砂型滲硼劑中沒有加入含 Al元素的還原劑，無法析出足量的硼原子滲入試件表面的緣故。在以B4C+Al為共滲劑中加入適量稀土后，滲層的厚度與質(zhì)量都得到大幅度提高。筆者認為稀土元素的加入將有利于破壞B、H、O、C原子在各自化合物中的化學鍵，由于稀土和氧、碳有極強的結(jié)合力，使得B2O3、B4C斷鍵，生成大量的活性硼原子，加速了共滲劑的分解。3.2 加熱溫度對滲層厚度的

19、影響T8鋼保溫時間4小時,加熱溫度分別為750, 850，950時，測試結(jié)果見圖1:750×100 850×100 950×100 4%硝酸酒精腐蝕圖1 T10鋼在不同溫度下保溫4h時的共滲層顯微組織由圖1和圖2可見，在保溫時間一定的情況下試樣隨溫度升高，滲層厚度增加，符合擴散定律。溫度達到950時，滲層厚度接近峰值。但溫度過高，零件變形增大，且滲層厚度增加速度減小。試樣在750 、850、950下保溫4h，滲層厚度分別為0µm、44µm和110µm。圖2 滲層厚度與溫度的關系曲線 3.3 保溫時間對滲層厚度的影響950 /2h

20、15;100 950 /3h×100 950/4h ×100 4%硝酸酒精腐蝕 圖3 T10鋼在950下在不同保溫時間硼鋁共滲時的顯微組織加熱溫度950，保溫時間2h4h，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3滲層厚度測試結(jié)果可畫出保溫時間與滲層后度的關系曲線，如圖4所示。結(jié)果表明，共滲層厚度與共滲時間基本呈拋物線關系，在3h4h之間，滲層增厚較快，滲層厚度增加緩慢。保溫4h后，滲層為鋸齒形，較厚，且表面無氧化脫碳現(xiàn)象。在保溫24小時后所得各試樣滲層厚度分別57um ，70um和110um。考慮到零件的變形隨保溫時間的延長而增大，且利用延長保溫時間來提高滲層厚度不經(jīng)濟，所以試驗中主要考

21、慮共滲溫度對滲層厚度的影響。綜合分析認為，宜選用高于950，時間超越4h時溫度過高,時間過長,勢必加重氧化且影響生產(chǎn)周期。溫度過低，時間過短，滲層太薄且不均勻，達不到表面強化效果。圖4 保溫時間與滲層厚度的關系曲線（ 3.4 滲層顯微硬度分布滲層的顯微硬度分布如圖5所示。滲層區(qū)的硬度為16002200HV；過渡區(qū)硬度為8001500HV；基體硬度在250600HV之間?？梢?，滲層區(qū)過渡區(qū)基體的硬度變化梯度較為平緩，較平緩的硬度分布提高了基體對共滲層的支撐能力,有利于減少其滲層脆性,硼鋁共滲層的整體性能較好。圖5 T10鋼硼鋁共滲后顯微硬度的分布4討論模具鋼經(jīng)硼鋁共滲后，共滲層一般由硼化鐵和(A

22、I,B) 固溶體組成，改變介質(zhì)的硼鋁含量，可獲得不同的共滲層組織。在給定的工藝條件下，滲層厚度受共滲溫度和時間的影響。在整個化學熱處理過程中，稀土的作用主要表現(xiàn)在對共滲速度、共滲層組織和共滲性能的影響三個方面。實驗證明，稀土能顯著提高共滲速度，稀土催滲明顯增加了共滲層厚度，而對硼化層的梳齒形狀沒有明顯的影響。稀土的加入促進了(FeAI)2 B晶粒的形成和長大，減少了FeAIB的形成傾向；稀土元素的加入還提高了B，AI 原子的活性，并增加了共滲原子在鋼表面的吸附能力，使 Fe2B 形核率增加，促進晶界凈化和晶粒細化。稀土硼鋁共滲在提高模具鋼的耐磨性、抗熱疲勞性和抗高溫氧化性的同時還提高了共滲層的

23、耐腐蝕性能，降低了脆性，顯示出比離子氮化層和單一硼鋁共滲層更優(yōu)異的性能。4.1 硼鋁共滲原理不論采用何種方法進行硼鋁共滲，首要條件是在共滲處理過程中，要同時產(chǎn)生一定數(shù)量的活性B、AI原子，并被鋼件表面吸收、擴散，形成一定厚度的B-AI共滲層。 由研究知，在這類三元系中，介質(zhì)中的B、 AI共滲元素不發(fā)生相互作用，共滲層是由兩種元素所形成的結(jié)構(gòu)組分組成，這兩種元素的數(shù)量與介質(zhì)中相應元素的含量成正比。因此，共滲層中滲入元素有它自己相對的“擴散獨立性” 。 基于上述，B-Al共滲可看作是滲B與滲AI二種反應同時獨立地進行，產(chǎn)生的活性B, AI原子共同構(gòu)成由硼化物相與鋁化物相組成的共滲層，二者相對量由B

24、與AI的擴散源能力所決定。4.2 固態(tài)硼鋁共滲介質(zhì)的反應4.2.1 滲B介質(zhì)反應固態(tài)BAI共滲時，滲B屬氣態(tài)催化反應.在高溫與弱氧化條件下，供硼劑在活化劑、還原劑作用下，形成氣態(tài)硼化物一BF3與低價亞穩(wěn)態(tài)BF2，氣態(tài)硼化物在工件表面不斷活化與分解，釋放出活性硼原子。主要反應為 KBF4KF+BF3 2B4C+2BF3+5O23B+2B2O3+3BF2+2CO2 B2O3+2A12B+A12O33BF2+2FeFe2B+2BF34.2.2 滲A1介質(zhì)反應A1粉與AlFe粉等是提供固態(tài)下BAl共滲AI原子的供鋁劑，當用氯化銨作活化劑時，由下列反應產(chǎn)生活性A1原子， NH4C1NH3+HC1 6HC

25、1+2Al2AIC13+3H2 AICI3+FeFeC13+AI4.3 滲層組織與相結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)稀土硼鋁共滲后，可形成一定厚度的共滲層，所得共滲層組織為FeA1B + (FeAI)2B雙相構(gòu)成，由白亮的化合物層和擴散層組成，厚度為37um一110um，化合物層硬度為1400HV一2200HV，基體由珠光體加粒狀碳化物組成。電鏡分析滲層的組織特征，是以滲硼為主，其原因可能是滲劑的鋁含量相對較少，主要作為還原劑促進滲硼，滲入的微量鋁全部固溶于硼化鐵中。共滲層顯微硬度與性能見表6，滲層金相組織見圖6。表6 T10鋼稀土硼鋁共滲層硬度與性能共滲工藝滲層厚度（um）顯微硬度（HV）相結(jié)構(gòu)850，3h3717

26、72雙相850，4h441620雙相4%硝酸酒精腐蝕 Re為2%圖6 T10鋼950共滲3h 顯微組織 ×100X射線衍射結(jié)果表明圖7,共滲層主要由FeA1B + (FeAI)2B雙相構(gòu)成。圖7 共滲層的X射線衍射圖4.4 滲層中鋁的擴散機制由于硼鋁化合物形成溫度高于鐵的熔點，故在鋼鐵劃材的B-A1共滲時，共滲劑提供的B、A1不能在介質(zhì)發(fā)生作用形成化合物，共滲反應完全取決于B、 Al二組元分別與Fe的作用。當共滲劑中的B勢大大高于Al勢時，可抑制A1在滲層中的擴散，從而獲得硼化物滲層，當共滲劑中的F e勢降低達到均勢擴散時，B、Al原子將共同擴散而可獲得各具獨立結(jié)構(gòu)的化合物層。鋁滲入

27、了基體，并存在于次表層中，且分布不均勻。分析認為，鋁的滲入是領先于硼或硼化物沒有完全覆蓋表層時完成的?；钚訠、Al原子首先吸附在試樣的表面等缺陷處，然后沿晶界、位錯等擴散進入基體。由于硼在-Fe中的溶解度較小，則首先開始形成Fe2B晶核。這時因鋁的溶解度大，尚未形成晶核。Al原子繼續(xù)向擴散，F(xiàn)e2B晶核進一步長大。鋁也達到了飽和溶解度，開始發(fā)生偏聚并形成化合物晶核。隨著B的不斷擴散和Fe2B的進一步長大將試樣表面完全覆蓋，阻礙了Al原子擴散。使鋁的濃度梯度趨于平緩，甚至出現(xiàn)負濃度梯度。則鋁化物晶核不再長大或長大緩慢，且不能向推移，隨著硼化物晶核進一步擇優(yōu)取向長大，將鋁化合物包圍在硼化合物中，留

28、在次表面。在以后的晶核長大過程中，鋁化合物的尺寸和鋁原子的濃度變化不大。4.5 鋁和碳的作用根據(jù)分析可知，加入稀土后Al的滲入量增加，Al的滲入是領先于B或在硼化物沒有完全覆蓋表層時完成的，故Al在滲層表面形成了化合物，鋁化合物的增加使?jié)B層的硬度和耐熱性能得以提高。滲劑中雖然沒有C，但滲層中卻形成了碳化物，究其來源認為，由于B原子的滲入形成了硼化物，硼化物是不容C的，將C排擠到過渡層與化合物齒間，使純鐵試樣中的雜質(zhì)C(含量0.002%)發(fā)生偏聚，根據(jù)熱力學原理，當成分和能量滿足形成化合物條件時，便形成碳化物。然而，能在鋼中形成碳化物的元素都屬于過渡族金屬，其d層電子未填滿程度比Fe高，在周期表

29、中都位于Fe的左邊，Al則是石墨化形成元素，不能與C直接結(jié)合形成化合物，在B的參與下形成了B、Al、C的特殊化合物。由于稀土的加入使得這些B、C等小原子在稀土周圍偏聚量增加，造成形成化合物的有利地點，晶形核地點的增加，避免了金屬間化合物的完全沿晶析出，其組織彌散性增加，從而改善了性能。4.6 稀土元素的作用稀土在硼鋁共滲中的作用研究近年來獲得了許多成果，所得滲層具有耐熱、耐蝕、耐磨、硬度高等優(yōu)良性能，并逐步得到應用1112。試驗證明有La（鑭）和Ce（鈰）進入滲層，并形成了化合物。分析認為：一方面稀土的原子半徑比Fe大得多，只能通過位錯或晶界等缺陷處擴散進入金屬表面，并在晶界偏聚，稀土原子周圍

30、產(chǎn)生較大畸變區(qū)，使得空位濃度和位錯密度增加，從而通過位錯強化或晶界強化提高滲層的性能；另一方面，根據(jù)固體分子與經(jīng)驗電子理論，稀土原子半徑是可變的，稀土原子一旦達到鋼表面產(chǎn)生吸附時，其價電子就會被Fe晶格吸引與Fe原子形成電子鍵。稀土原子的第一電離能很小，即稀土原子失去電子所需能量很低，發(fā)生吸附后稀土原子的價電子容易發(fā)生偏移或部分地脫離原子核的束縛，引起稀土原子的極化或離子化，導致其原子半徑減少；在共滲溫度下，原子半徑減小后的稀土原子通過空位或雙空位擴散機制進入Fe的晶體，占據(jù)空位位置形成置換固溶體或?qū)⑵渌嗟腂、C等間隙原子帶入了間隙中，改變了晶格尺寸，使?jié)B層齒間的Fe晶面間距有所增大,從而

31、增強了滲層與基體之間的結(jié)合力,改善了性能。稀土在硼鋁共滲過程中提高了硼和鋁的活性，從而使表面含硼、鋁量提高、稀土元素存在區(qū)域有鋁的富集。至于稀土元素本身的滲人機理與對硼，鋁元素的擴散作用。已有人作了解釋。特別是根據(jù)固體分子經(jīng)臉電子理論。稀土原子半徑是可變的，稀土原子一旦達到鋼表面產(chǎn)生吸附時，其價電子就會被鐵晶格吸引與鐵原子形成電子鍵。稀土原子的第一電離能很小，即稀土原子失去電子所需能里很低，發(fā)生吸附后稀土原子的價電子容易發(fā)生偏移或部分地脫離原子核的束縛。引起稀土原子的極化或離于化，導致其原子半徑減小，由此解釋了稀土原子溶入鐵晶體中的問題。稀土元素滲入后，使表面金屬晶格發(fā)生較大畸變，造成AI,B

32、等活性原子的擴散通道，有利于硼相的擇優(yōu)取向生長，同時也有利于大原子AI向晶的擴散,并且稀土元素在晶界上產(chǎn)生偏聚，使晶界化學成分發(fā)生變化，影響晶界移動和晶粒的長大。稀土元素沿晶界的擴散抑制了Fe2B晶核的橫向生長，使齒端變尖，在試驗中觀察到了這一現(xiàn)象。稀土元素大部分以化合物的形式存在，在質(zhì)量分數(shù)為0.05%0.20%的圍，主要形成稀土的氧化物、稀土硫化物與稀土硫化物夾雜，當稀土質(zhì)量含量足夠高時，還形成稀土碳化物或與鐵形成金屬間化合物，但這種化合物究竟是何種化合物還有待于今后進一步研究。4.7 活化劑的作用活化劑是在硼鋁共滲過程中，與共滲劑發(fā)生反應，促進生成活性硼原子和鋁原子的組分，是影響硼鋁共滲

33、速度的主要因素。在研制固體共滲劑的初期主要用NH4CI、NaCI、AIF3等鹵化物和如(NH4 )2C03等碳酸鹽。西德首先采用KBF4為活化劑，使?jié)B硼的實用溫度降低到900以下，促進了固體滲硼工藝的應用。國在此基礎上研究了用活化劑進行復合催滲，如KBF4 + SiC,KBF4+NH4HCO3,KBF4+NH4ClKBF4+Fe2O313等。這些活化劑都可不同程度地提高滲硼速度，降低滲硼溫度。文獻14用廉價的氟硅酸鈉代替氟硼酸鉀，使?jié)B硼劑成本進一步降低。實踐表明，氟化物復合鹽的活化效果比單一鹵化物要好得多，氟化物要比氯化物好，用氯化物活化，特別是用NH4C1活化時常使硼化物層的疏松加重。過量氟

34、化物蒸氣對人體有一定損害，有的氟化物氣體有特殊氣味，對車間環(huán)境有污染。我國已出現(xiàn)無煙無毒滲硼劑15，以采用Na2C03為活化劑，Na2SiF6+Na2CO3為復合活化劑16。文獻17報導了 不加活化劑也可得到較為理想的硼化層。5. 結(jié)論（）根據(jù)滲層厚度極差分析得到的結(jié)果：影響滲層厚度與質(zhì)量的工藝因素的主次關系為：硼鋁共滲溫度保溫時間鋁含量稀土含量。（）根據(jù)滲層厚度平均值得知，最優(yōu)方案：加熱溫度為950，純鋁加入量為2%，稀土加入量為4%，保溫時間為4h。 （）在合適的加熱溫度條件下，保溫時間越長滲層越厚，這是隨著保溫時間的延長硼原子獲得了充分擴散機會。（）在一定的保溫時間條件下加熱溫度越高滲層越厚，這是隨