Cr 结构钢渗硼动力学的研究

2013年11月机械设计与制造工程Nov.2013第42卷第11期Machine design and Manufacturing EngineeringVol 42 No. 11DOI:10.3969/.isn.2095-509X.2013.11.020Cr结构钢渗硼动力学的研究周旸(南京理工大学材料科学与工程学院,江苏南京210094)摘要:为获得理想的钢铁材料渗硼工艺参数,对影响渗硼层性能的主要因素进行了对比试验。用固体渗硼技术对40Cr、40CNi和45C钢分别在850℃,880℃,910℃和940℃保温条件下进行3,5,7,9个小时的渗硼处理,首先用光学显微镜观察3种钢在不同加热温度和保温时间下各种钢渗硼层的形貌和显微组织,发现渗层以齿状楔λ杋体。随后通过测量3种钢在不同温度下不冋渗硼层深度的硬度,发现硬度峰值在144HV0.1到1490HVO.1之间。最后通过对40C、40CNi和5Cr钢进行渗硼动力学计算与分析,得出渗硼层厚度与渗硼时间呈拋物线关系、生长速率常数随着渗硼温度升高而増加的规律;并且随着含碳量和合金元素的増加,渗硼所需的扩散激活能随之增大关键词:碳钢;(r元素;固体渗硼;渗硼层;动力学;扩散激活能中图分类号:TG142.33文献标识码:A文章编号:2095-509X(2013)11-0079-05渗硼是一种材料表面强化的化学热处理技术,1实验方法通过高温时硼的扩散,与基体材料在相应温度下可1.1实验材料与设备形成由一个或多个金属间化合物相组成的渗硼层,1.1.1渗硼试样能显著地提高基体的表面硬度和耐磨性。钢铁材渗硼材料为40Cr、40CrNi和45Cr钢,试样尺料经渗硼后得到的渗硼层由Fe2B或者FeB+Fe2B寸均为φ15mm×10mm,每种钢有16个工艺参数,组成,Fe2B相的硬度一般为1300~1800HV,而每种工艺参数有2个试样,共计96个试样FeB相一般达到1600~2200HV,具有较高的耐磨1.1.2渗硼剂组成性,并具有良好的减摩作用,尤其抗磨粒磨损性能本实验中使用的渗硼剂成分组成见表1要优于渗碳和渗氮。但FeB相的脆性比较大表1滲硼剂组成所以两相硼化层的脆性和剥落倾向比较大2,使供硼剂活化剂填充剂还原剂渗硼工艺的应用受到一定限制。硼砂氟铝酸钠碳化硅活性炭渗硼层的性能与很多因素有关,如渗硼层过厚,会增加其脆性和剥落倾向。决定渗硼层厚度的1.2实验过程与实验方案主要工艺参数是渗硼温度和时间,而含碳量和合金1.2.1不同碳含量钢的渗硼元素含量不同的钢,经不同温度和保温时间渗硼后渗硼处理总体可分为4个阶段:(1)配制渗硼的渗硼层厚度、硬度都有所不同。通过研究做出不剂;(2)试样预处理;(3)试样封装;(4)试样渗硼。同钢种的渗硼层生长动力学曲线(渗硼层厚度与1.2.2试样渗硼后的处理时间、温度的关系)以及渗硼层等厚度图,就可以(1)从坩埚中取出渗后的试样,冷却后打磨表通过设定的渗硼时间和温度预测渗硼层的厚度,反面,镶嵌。(2)将镶嵌后的试样先用水磨机粗磨之也可以根据确定的渗硼厚度调整渗硼时间和温然厂中国煤心m#、60的金相砂纸进度,这对工业生产具有非常重要的指导意义行抛光机上用氧化铝抛CNMHG收稿日期:2013-10-09作者简介:周旸(1991—),男,江苏南京人,南京理工大学本科毕业生,学士,专业方向为金属材料。792013年第42卷机械设计与制造工程光粉兑水进行抛光。(4)将抛光后的样品用4%硝图2(a)、(b)分别为40Cr和40CrN经910℃酸酒精轻轻擦试,再用清水冲洗并烘干。保温7h后得到的渗硼层200倍的显微组织。图中白亮的渗硼层厚度分别为64.7um和61.8um,可2实验结果与讨论以发现,随着合金元素含量的增加,渗硼层的厚度2.1不同含碳量钢渗硼层金相组织分析随之减小。图1(a)、(b)分别为40r和45Cr经910℃保温7h后得到的渗硼层200倍的显微组织。金相照片下端为镶嵌料,往上依次为白亮色的渗层、扩散层、颜色较暗的基体。白亮的渗硼层是垂直工件表面向基体生长,以齿状楔入基体。图中白亮的渗硼层厚度分别为64.7μm和70.1pm(a)40Cr钢图2不同含碳量钢在910℃下保温7h的显微组织图3(a)、(b)、(c)、(d)分别为40钢在850℃880℃C,910℃和940℃温度下保温h后得到的渗硼层200倍的显微组织。由此可以明显地观察出:在相同的保温时间下,渗层随温度的升高而加厚,可以解释为随着温度的升高,原子内能更大,更易向基体内扩图1不同含碳量钢在910℃下保温7h的显微组织散。其他钢种在实验观察中也有类似的规律。(a)850℃(b)880℃Y中国煤化工CNMHG(c)910℃图340Cr钢在4种不同温度下保温7h后得到的渗硼层显微组织·802013年第11期周旸:Cr结构钢渗硼动力学的研究2.240r4GrN和45αr钢渗硼层的显微硬度分析温度较低时,渗硼剂来不及扩散,导致渗硼层偏薄,表2为3种钢在不同温度h渗硼下不同渗硼而随温度的增加,硼原子的自由能增加,所以渗层层深度的硬度,结果表明:随着保温温度的升高,较更厚。硬的渗层的厚度有增厚的趋势,探其原因,可能是表3为3种钢基体与渗层最大硬度对比,可表23种钢渗硼层硬度随深度和温度变化的情况深度/μm880℃910℃940℃880℃910℃940℃880℃910℃940℃1303141312771048507285见,最初的钢材基体较为柔软,硬度为285HVO.12.340Gr、40CrNi和45Cr钢渗硼动力学计算与分析左右,而渗层的最大硬度接近150HV0.1,钢材的2.3.1温度、时间对渗硼层厚度的影响机械性能有了明显的提高。其原因可以解释为渗图5,6和7分别为温度和时间与40Cr、40CNi层表面形成硬脆的Fe2B相,导致硬度改变。和45Cr钢渗硼层厚度的关系图,从图可以看出,在表33种钢基体与渗层硬度对比本实验条件下,40Cr钢渗硼层厚度在12~124μm钢种渗层最大硬度基体硬度硬度上升值之间,40CrNi钢渗硼层厚度在11~129μm之间/HV0.1/HV0.145Cr钢渗硼层厚度在14~121μm之间40CrNI1444l157Cr 53K45CrOCr 1 183K1213KF-40CrNi 1 153K图4为40Cr、40CrNi和45Cr钢在880℃40CINI183K-+40CrNi 1 213K910℃和940℃下保温7h得到的渗硼层的显微硬45Cr1153K45Cr1183K度梯度。由图4可知,3种钢的渗层显微硬度随渗45Cr1213K硼温度的变化遵循相同的规律,3种钢在相同的保温温度下硬度大小差别不大,且都在接近表面3040μm处硬度最大。由表3可知,渗硼层表层硬度020406080100120140160180200深度/um大幅度高于机体硬度,是基体的4~5倍,同时随着图43种钢在880℃、910℃和940下保温7h深度的增加硬度逐渐减小得到的渗硼层的显微硬度梯度v1213K卧逊中国煤化工10000150002000025000300003500010000150002000025CNMH G 20000 25 000 30000 35 00图5不同温度与保温时间下图6不同温度与保温时间下图7不同温度与保温时间下40Cr钢渗硼层的厚度40CrNi钢渗硼层的厚度45Cr钢渗硼层的厚度8l·2013年第42卷机械设计与制造工程对某一种钢来说,在相同保温时间内,随着渗温条件下,硼原子的扩散比较困难,扩散速率较小。硼温度的升高,渗层厚度随之增加;在相同渗硼温2.3.240Cr、40CrN和45Cr钢渗硼动力学曲线度的条件下,随着保温时间的增加,渗层厚度呈现根据3种钢渗硼后的渗层厚度,用 Origin软件增加趋势。但是两者基本为抛物线的关系,即,当分别作40Cr、40CrNi和45C钢渗硼的d2~t关系渗层达到一定厚度时,随着保温时间继续延长,渗图,然后进行线性拟合,再将拟合直线的斜率求出层厚度增加的速度随时间的增加而减慢。即得到每个温度下的渗层生长速率常数,具体数值将3张图一起看可以得知,低温时,要使渗层厚见表4。度达到一定值,比高温时需要的时间长,这说明,低由表4可知,任何一种钢随着温度升高,渗层表43种钢不同温度下的生长速率常数钢种生长速率常数/(m2·s-1)Q/(kJ·molK123=0.52×10-13k1s=1.73×10-13k18s=2.74×10-13k1213=6.12×10-13242.9生长速率常数增大,且温度越高,相同温度间隔内,更高,阻碍了硼原子向内扩散,阻碍渗层的生长。生长速率常数变化越大。综合比较3种钢的渗硼这里的计算结果与金相观察的结果略有出人,究其生长速率常数,在同一温度条件下,40Cr钢渗层生原因可能是在渗硼过程中加热炉的升温速率不同长速率常数比40CrNi钢的大,主要原因是后者含导致,不影响扩散激活能的计算有合金元素Ni,强烈阻碍硼原子向内扩散,阻碍渗利用表4中的数据,结合渗硼温度,作两种钢层的生长;同时在同一温度条件下,40Cr钢渗层生渗硼的lnK~1/T关系图,分别得到图8,9和10长速率常数比45Cr钢的大主要原因是后者碳含量27827.8QR-292158QR-307914QR=3245130-256.0kJ'mol0-256.0kJ/mol=-288286百-2900.000820.000840.000880.00082000084T/k000860000800820.000840.000860.00088图840Cr钢渗硼的hK~1/T关系图940CrNi钢渗硼的lκ~1/T关系图1045Cr钢渗硼的lnK~1/T关系将图8~10中拟合直线的斜率求出,即为调节工艺参数Q′R,从而可以求得扩散激活能Q值,结果见表表540Cr40CrNi和45C钢渗硼层厚度4,40Cr、40CrNi和45Cr钢渗硼的扩散激活能分别钢种保温时间渗层厚度/μm为242.9kJ/mol、256.0kJ/mol和269.6kJ/mol,由此h35850℃880℃910℃940℃可见,前者的扩散激活能较小,更容易渗硼,这与以11.913.115.034.3往渗硼结果是相符的。21.628.438.772.1728,452.364.7106.4表5为3种钢渗硼后的渗层厚度表,根据表5中数据,使用 Sigma软件分别作出40Cr、40CrNi和10.715,419.149,345Cr钢渗硼的温度-时间-渗层厚度关系图,即40CrNi20.136.939.875.761.8108.2为它们的等厚度曲线,分别如图11,12和13所示。H中国煤化工63.175.6128.9根据等厚度图,一方面可以预测设定的渗硼时14.821.736.2CNMHG间和温度可以得到的渗硼层厚度;另一方面可以从45 Cr68,70.1104.6既定的厚度值找到相应的渗硼时间和温度,这对工业生产具有一定的指导作用,可以根据实际情况来2013年第11期周旸:Cr结构钢渗硼动力学的研究例如:想要对40Cr钢进行固体渗硼后得到根据确定的保温时间和渗层厚度来估计需要的加60μm的渗硼层,根据图11,如果确定加热温度为热温度亦如此。其他钢种确定工艺参数的方法也90℃的情况下,需要保温近πh;如果确定加热温相同,由此可见,画岀不同钢种的渗硼层等厚度图度为940℃的情况下,只需要保温5h左右;反之,是具有很高价值的l180110保温时间/h保温时间/h保温时间/h图1140r钢渗硼层等厚度曲线图图1240CmNi钢渗硼层等厚度曲线图图1345(r钢渗硼层等厚度曲线图3结束语2005本文的实验结果对改善生产工艺有着积极的[3]B/T7709-2007渗硼层显微组织、硬度及层深检测方法影响,可以为提升实际生产效率提供理论依据,但[4]王掌忠材料科学基础[M].北京:机械工业出版社,2005是由于实验环境与真实生产环境的差异,如加热炉的加热速率的不同、渗硼剂均匀度的轻微不同,在[5]田旭.固体渗硼在石油机械中的应用[D].长春:吉林大学实际生产中的情况可能会有细微不同,如得到某[6 Uslu I, Comert H, Ipek M. A comparison of borides formed on厚度渗层所需的时间与实验中的不一样,所以在应AISI 1040 and AISI P20 steels[J. Material Design, 2007, 281819-1826用文中结论时还需根据实际生产条件做细节上的[7]王秀娟,林银,李文健,等,40C钢渗硼动力学研究[J].东北调整。大学学报,2012,33(S1):121-124[8 Campos 1, Oseguera J, Figueroa U, et al. Kinetic study of boron参考文献:iffusion in the paste boriding process[ J]. Materials Scienceand Engineering, 2003. A352: 261-263]张黔,孙小华,李朝志低碳中铬钢渗碳层的耐磨粒磨损性9]sens,senU, Bindal c. An approach to kinetie study of borided能研究[J].热加工工艺,2001(3):16-18steels[J]. Surf Coat Technology 2005, 191: 274-285[2]孙希泰.材料表面强化技术[M].北京:化学工业出版社,Research on the boronization Dynamics of Cr Structure SteelZHOU YangNanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)Abstract: n this study, the 40Cr, 40CrNi and 45 Cr steels substrates were pack -borided at 850, 880, 910and940C for 3, 5, 7, and 9 h. The morphology formed on the surface of steel substrates were confirmed by opticalmicroscopy analysis. The characteristic sawtooth morphology of the boride layer is dominant. Boride layer thickness formed on the borided steels depending on process temperature, treatment time and element contents of thesubstrates. Also, we measure the microhardness of borides of different carbon -contents steels, and the peak microhardness is in the range from 1444hvo. 1 to 1490HVo. 1中国煤化工 growth kinetics, it dem-onstrates a parabolic relationship between layer thickness andCNMHGrate constant K increases with boriding temperature. Also, the activation energy for the process increases with the amount of elementcontents of the substrateKey words: Carbon Steels; Cr Contents; Solid Boronizaton; Kinetics; Activation Energy