稀土添加剂对感应加热渗硼的影响

第18卷第2期集美大学学报(自然科学版)Vol.18 No.2 .2013年3月Jourmnal of Jimei University( Natural Science )Mar. 2013[文章编号] 1007 -7405(2013)02 -0128 -06稀土添加剂对感应加热渗硼的影响朱飞勇，陈祝平，杨光(集美大学机械工程学院，福建厦门3621021)[摘要]使用超音频加热电源进行感应加热渗硼，研究稀土在感应加热渗硼中的作用.结果表明:在功率P=3900 w,感应加热时间i=8 min,感应间腺a= 19.5 mm时，渗硼层为共晶渗硼结构.硬度测试为软硬相配组织，渗层厚度423.4 μm;在硼稀土二元共渗试验中，发现添加氯化镧时，其渗硼层厚度增加10%以上,并且渗硼层的组织更密,硬度下降趋于缓慢.[关键词]感应加热;滲硼;硼稀土共渗;催渗[中图分类号] TG156.8+7[文献标志码] AThe Gap and Boron-RE Permeation Induction Heating BoronizingZHU Fei-yong, CHEN Zhu-ping，YANG Guang(School of Mechanical Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)Abstract: With super audio heating power for inductin heating boronizing, the role of rear earth in in-duction heating boronizing was studied. The results show that the boronizing layer was of eutectic boronizingstructure when the power P was 3900 w, induction heating time t was 8 min, and induction rape a was19. 5 mm. By hardness testing, the organization was matching with software and hardware, and the boronz-ing layer thickness was 423.4 μm; From the boron rare eath binary permeation test, it was found that afteradding lanthanum chloride into the paste, the boronizing thickness would increase by more than 10%，andthe tssue of boronizing layer would be more dense, and the hardness would decreased slowly.Key words: induction heating; boronizing; boron rare earth permeation; accelerated boronizing0引言渗硼方式分为气体渗硼、固体渗硼、熔融盐浴渗硼、电解渗硼及电化学渗硼等1-21. Fe-B 的共晶温度较低(约1161C), 渗硼温度-般为 850~ 1050国。硼化物具很高的硬度和化学稳定性，金属和合金渗硼能提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性，特别是提高金属和合金钢的耐磨能力单- -渗硼的渗硼层存在着脆性大、滲层薄、组织结构不致密、硬度下降快等缺点!4].降低渗硼脆性有效方法是共晶渗硼，并得到软硬相配的组织,取代通过普通渗硼得到的由硬相组织的连续硼化物层，但若在炉中进行，则加热时间长，基体组织也因加热温度高而粗化，因此采用高频感应加热[51.程树红等通过高频感应加热渗硼指出,当钢铁试样加热到1100 C,保温20s，即可得到100 μm左右的共晶型渗硼层[6].采用多元渗硼，即渗硼剂中加入适量的稀土元素，进行硼稀土二元共渗，在- -定工艺条件[收稿日期] 2012 -12 -06[修回日期] 2012-03 -05[作者简介]朱飞勇(1985-)， 男，硕士生，从事材料表面化学热中国煤化工(1971-),女,教授,从事材料处理与结构强度分析研究. E-mail: dyn:MYHCNMH G.第2期朱飞勇，等:稀土添加剂对感应加热渗硼的影响●129●下，稀土元素能够与硼同时渗人钢的表面，可以加快渗硼速度、厚度和改善硬度分布[7].钟华仁[7]指出，在渗硼中添加适量的稀土物质,在一-定的工艺条件下，稀土元素能够同时渗入钢的表面,并且具有催渗效果，能够增加渗硼层厚度和改善渗硼层的硬度分布王洪海等[8]指出在膏剂中加人稀土可以提高渗硼层的质量.刘建建等(4)指出，适量地添加氧化铈，可以显著改善渗硼层组织,并能使渗层厚度增加10%以上.除加入稀土外,加入氧化铬同样可以改善渗硼层质量[9].本文通过改变感应间隙，探究如何通过感应加热渗硼得到共晶渗硼层，并在硼膏剂中添加氧化镧等4种稀土，进行硼稀土共渗,研究稀土对渗硼层的催渗效果以及对渗硼层质量的改善.1试验材料及方法1.1 试验材料试验材料为Q345合金结构钢，钢材各元素的质量分数为: C, 0.16%; Si, 0.41%; Mn,1.41%; P, 0.016%; S, 0. 0096%.试样尺寸分别为中14 mm x25 mm、φ18 mm x25 mm和φ22 mm x25 mm.采用GSB -1型膏剂渗硼剂，其主要成分为碳化硼、三氧化二硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉.稀土添加剂包括氧化铈、氧化镧、氯化镧和氯化亚铈.1.2试验方法.在有效感应加热时间t=8 min,加热功率P =3900 W的前提下，通过3种不同的间隙来得到共晶渗硼层，这三种间隙分别为a; =23.5 mm、ar =21.5 mm和a, =19. 5 mm.硼稀土二元共渗试验设计如表1所示.对4种不同的稀土，各采用3种质量分数对稀土添加剂的作用进行研究.表1硼稀土共渗试验设计Tab.1 Boron-RE permeation test design稀土种类氧化铈氧化镧氯化镧氯化亚铈The types of RECerium oxideLanthanumLanthanum chlorideCerous chloride稀土质量分数/%2Re content31.2.1感应加热渗硼处理试验前对试样进行精车，去除试样上的油污，擦干样品，在抛磨机上将试样的圆周进行磨光.膏剂配置:原膏剂以及在原膏剂的基础上分别添加1%、2%和3%的氯化亚铈、氧化镧、氧化铈和氯化镧共配置成13种膏剂.把配好的膏剂均匀的涂覆在试样表面,硼膏剂厚度统-为4 mm,在室温条件下放置8~10h，然后在温度为100 C的SQ2 -3-12坩埚电阻炉里面干燥1 h.使用频率为14~30kHz,额定功率为20kW的MGPS-0-30半导体变流装置进行感应渗硼.感应圈内径为61 mm,管壁厚度为1.5 mm,管径为6.1 mm.预热2 min,第1 min加热功率P=2363.5 W,第2 min加热功率P=3380 W.后面8 min为有效感应加热时间，加热功率P=3900 w.1.2.2试样制作1)金相试样制作过程:去掉残余膏剂层-→清洗试样-→截取试样块→镶嵌- +磨光和抛光- →腐蚀.2)金相试样显微硬度测量:使用HV - 1000显微硬度机测量显微硬度.测量时,载荷为25 g,加载时间为15s,采用由表面向内部打硬度值的方式测量，根据中国煤化工为间隔 和数量.MYHCNMHG集美大学学报( 自然科学版)第18卷表2硼稀土共渗的渗硼层厚度Fig.2 the boride of the boron-RE common-permeate cerous chloride氧化镧氯化镧氯化亚铈氧化铈稀土种类无Lanthanum oxideLanthanum chlorideCerous chorideCerium oxideThe types of RE厚度/μm18.522.9 29.0 28.4 22.2 23.5 24.4 30.1 28.1 23.8 28.1 24.5 20.42.2渗硼层硬度分析对探索共晶渗硼层的三个试样进行显微硬1600度测试，并把测试的数据通过计算机绘成硬度1400+甘间隙Cap 23.5 mm走势图(见图4).在图4中， “△”所在的硬主12001-0-间隙Gap 21.5 mm度曲线图的硬度值呈波浪线趋势由表层向内层-0-间隙Gap 19.5 mm1000 -递变，并且峰谷之间的差距逐渐变小.而800“△”的硬度曲线是感应加热间隙a=19.5mm的硬度值、因此通过硬度测试，可以验证共晶与6001渗硼层的软硬相配硬度分布、而感应间隙a=老40021.5mm对应的曲线图在开始时3个硬度值在200-600 HV以上，后面的硬度值均匀，基体硬度差不多，主要原因是渗硼与基体交界部分的硼化-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500距离Distance/um物较少导致的.对于感应加热间隙a =23.5 mm图4间隙感应加热渗砌层的硬度分布试样的硬度测试值来看，试样为形成共晶渗硼Fig.4 Microhardness of the boride of层,同时也验证硬度先高后低的分布状况.the gap induction heating boriding使用HV-1000对硼稀土二元共渗试样进行硬度测试，绘成硬度分布图(见图5).从图一0%稀土RE5中可以看出，硬度值下降最快的是添加氧化铈- o- 3%氧化镧稀土的硬度曲线，其次是没有添加稀土硬度曲00o 1%氧化铈线，添加氯化镧和氯化亚铈的渗硼层硬度下降1200 t2%氯化亚铈1000 t最缓慢.还可看到，添加氧化镧、氯化镧以及Cerous chloride氯化亚铈的试样渗硼层的硬度出现了先增加后41%氯化镧减小的现象、这种硬度分布说明在渗硼层的中600间部分，渗层致密度较好，在渗层外部以及与怒400基体接触的地方，渗硼较为稀疏，并且这3种00 t试样的高硬度带分布最大，硬度下降比较缓慢. .因此通过对试样的硬度测试证实，添加氧化镧、10234050氯化镧以及氯化亚铈稀土的渗硼层致密度较好,图5硼稀土共渗渗硼层 的显微硬度分布图渗硼质量有了明显提升，并且硬度下降趋于缓Fig.5 Microhardness of the boride of慢.而氧化铈对试验的渗硼层没有什么改善效the boron-RE common-permeate果3结论1)当感应加热功率P=3900 w,时间t=8 min,感应间隙a = 19.5 mm时出现渗硼共晶组织，并且渗硼层厚度为423.4μm.其共晶渗硼层组织结构呈圆状的组织结构。并日8出邮软砸相配组织，硬中国煤化工度较高部分主要是硼化物，硬度较低部分主要是珠光体组织.TYHCNMH G第2期朱飞勇，等:稀土添加剂对感应加热渗硼的影响●133●2)硼稀土二元共渗试验中可以知道，氧化镧、氯化镧以及氯化亚铈在感应加热渗硼中具有催渗效果，渗硼层致密度较好，能使渗硼层质量得到提升，并且硬度下降趋于缓慢渗硼层，而氧化铈稀土在感应加热渗硼的催渗效果不明显.3)通过综合比较渗硼层组织结构、渗硼层厚度以及硬度分布，得出添加氯化镧稀土对滲硼层的催渗效果最佳.[参考文献][1] BEKTES M, CALIK A, UCAR N, et al. 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