低温稀土渗硼研究石子源隋珍（大连铁道学院）（大连第二电机厂）摘要研究了稀土元素对固体渗硼 的作用，测试了４５钢低温渗硼层的组织与性能．结果表明：加适量的稀土元素可显著的提高渗硼 速度，低温渗硼层是由ＦｅＢ、Ｆｅ２Ｂ和Ｆｅ３（Ｃ２Ｂ）等相组成．其渗层组织致密、无明显 疏松及孔洞，渗硼层前沿过渡区较窄，有良好的抗磨损特性．关键词：低温；渗硼；
稀土元素；渗 硼层中图分类号：ＴＧ１４２．４５渗硼层具有良好的耐磨损、抗擦伤和耐腐蚀性，而且工艺简单 易实施，对基体材料要求不高，因而得到了多方面的应用．现有的渗硼技术大多在８５０℃以上进 行［１，２］，工件变形量较大，渗硼层较脆，从而限制了其应用于尺寸精度要求较高的工件．所 以，研究钢在Ａ１相变点以下的低温渗硼技术，结合某些钢的回火温度进行渗硼，不仅能改善渗层 的性能，降低能耗和工件变形，扩大渗硼技术的应用，而且还能简化工艺，具有明显的经济效益［ ３］．然而，低温渗硼是钢在铁素体状态下进行的，铁素体溶硼能力小，硼的扩散能力较低，故渗 硼层较薄．为提高低温渗硼速度，本文以固体渗硼为基础，在渗硼剂中添加适量的稀土氯化物，采 用复合催渗的方法，探索低温渗硼的渗剂配方，研究低温渗硼层的显微组织和有关性能．１试验材 料和方法试验用材为２０、４５、Ｔ１０和２０ＣｒＭｎＭｏ钢．基本渗剂的组成为Ｂ４Ｃ、ＫＢ Ｆ、ＮＨ４Ｃｌ和ＳｉＣ粉末．将各组分别和一定量的稀土氯化物（ＲｅＣｌ）按比例混合，然后 与试样一起装罐密封．渗硼工艺是（６５０～７００℃）×６ｈ．渗硼试样在显微镜下观察渗硼层 组织，测定显微硬度，用峰谷平均法测量渗硼层厚度［４］，用Ｘ射线衍射仪分析渗层相结构．磨 损试验在ＭＭ－２００型磨损试验机上进行，载荷９８Ｎ，转速２００ｒ／ｍｉｎ，对磨试样为Ｇ Ｃｒ１５钢，硬度为６１ＨＲＣ．２试验结果和讨论２．１渗硼层的显微组织和相结构图１和图２ 为４５钢分别在不含稀土渗剂和含５％稀土渗剂中低温渗硼的显微组织．图１４５钢７００℃×６ ｈ渗硼层的显微组织图２４５钢７００℃×６ｈ渗硼层的显微组织（不含稀土）４００×（含５％ 稀土）４００×可以看出，低温渗硼层比较致密，没有明显的疏松孔洞，不呈现齿状形态，
硼化物 与基体之间的过渡区较窄．原因是低温渗硼是在铁素体状态下进行的，在渗硼后的冷却过程中不产 生共析转变，因此不会出现晶粒粗大的伪共析或过共析组织．此外，由于铁素体溶碳量很少，而硼 化物不溶碳，故渗层部位的碳同样要被挤向硼化物前端的基体中．但因为渗硼温度低，碳的扩散能 力要比高温渗硼时低的多，故低温渗硼层前沿的富碳过渡区要比高温渗硼时窄得多．比较图１及图 ２又可看出，在含稀土渗剂中渗硼时，其渗层较厚，齿针致密，甚至不呈现齿针（原因见２．２节 ）．图３４５钢７００℃×６ｈ渗硼层的Ｘ射线衍射图图４４５钢７００℃×６ｈ渗硼层距表层１ ０μｍ处的Ｘ射线衍射图渗硼层的Ｘ射线衍射结果由图３可见，低温渗硼层是由ＦｅＢ＋Ｆｅ２Ｂ ＋Ｆｅ３（Ｃ，Ｂ）三相组成．将试样渗硼层表面磨去１０μｍ，再进行Ｘ射线衍射分析，其结果 如图４：其渗层仍由上述三相组成，且Ｆｅ３（Ｃ，Ｂ）相存在于整个渗硼层内．这说明，在硼化 物形成过程中，ＦｅＢ和Ｆｅ２Ｂ都不溶解碳，必然将碳向内部排挤，被排挤的碳，一方面就近形 成Ｆｅ３（Ｃ，Ｂ），另一方面则通过远程扩散挤向内层，在硼化物前沿的基体上形成富碳的过渡 区．在高温渗硼时，这两种趋向都存在．而在低温渗硼时，碳在铁素体中的扩散激活能增大，扩散 系数降低，使碳难以进行远程扩散，仅能聚集在硼化物的周围，当排挤的碳达到一定浓度时，便形 成Ｆｅ３（Ｃ，Ｂ）．２．２低温渗硼时稀土元素的作用表１几种钢低温渗硼的渗层厚度和显微硬 度材料２０４５Ｔ１０２０ＣｒＭｎＭｏ显微硬度／ＨＶ１６８９１５６１１５２８１４８０渗层 厚６５０℃×６ｈ２０１８１２１０度／μｍ７００℃×６ｈ２４２０１４１２表２稀土含量对渗 层厚度的影响（７００℃×６ｈ）稀土含量／ｗｔ％１３５６８渗层厚４５钢２２２７３０３０２ ８度／μｍ２０钢２５３０３４３２２８表１给出了一些钢种在不含稀土渗剂中低温渗硼的渗层厚 度及显微硬度．可以看出，在条件相同的情况下，渗层厚度随含碳量的增加而降低，说明钢在低温 渗硼时，也和高温渗硼一样，硼在钢中扩散形成硼化物时，要把碳挤向基体的内部，故钢中碳含量 越高阻力越大，形成的渗硼层越薄．从表１又看出，低温渗硼层的硬度值基本在硼化物相的硬度范 围内．为提高低温渗硼的渗硼速度，在渗剂中添加了适量的稀土氯化物，其试验结果示于表２．从 中可见，在渗剂中加适量的稀土元素，能增加渗硼层的厚度．其主要原因是，稀土能加速渗剂的分 解，提高渗剂的硼势，还能净化、活化工件表面，加速活性硼原子的吸附和传递．微量稀土元素的 渗入，能降低硼原子在钢中的扩散激活能，提高硼原子在钢中的扩散速度［５］．但当渗剂中稀土 含量过高时，吸附在工件表面后反而阻碍硼原子在钢中的扩散．故当渗剂中稀土元素含量大于５％ 时，其催渗效果就不显著．另外，又从图２看出，稀土渗硼可使渗层的齿针更加致密，甚至不呈现 齿针形态．原因是稀土元素是表面活性元素，能渗入工件表面成为硼化物相的形核中心，使新相的 形核率增加，故使渗层组织细小致密．图５４５钢低温渗硼和高温渗硼的磨损曲线２．３渗硼层的 耐磨性能图５为４５钢在不同处理状态下的磨损失重与磨损时间的关系曲线．其中曲线１为８５０ ℃×６ｈ高温渗硼，曲线２为７００℃×６ｈ低温稀土渗硼．由图可见，在磨损的初期阶段，低温 稀土渗硼层显示出优良的耐磨性能；在稳定阶段，低温渗硼层的磨损性能要好于高温渗硼层，但进 入剧烈磨损阶段的时间要比高温渗硼层早．其原因是低温渗层比高温渗硼层致密、疏松孔洞少，故 在磨合时期，其磨损速率远小于高温渗硼层．又由于低温渗层硼化物齿细密，故在稳定磨损阶段其 磨损速率要小于高温渗硼层．但由于低温渗硼层比高温渗硼层浅，故低温渗硼层进入剧烈磨损的时 间要早．试验表明，在５ｈ后，低温渗硼的磨损是才开始增加，但仍显著低于高温渗硼，可见低温 渗硼层的耐磨性要好于高温渗硼层．３结论１）钢经低温渗硼，渗硼层致密，疏松孔洞少，过渡区 较窄，渗层由ＦｅＢ＋Ｆｅ２Ｂ＋Ｆｅ３（Ｃ２Ｂ）三相组成．２）在渗剂中添加适当数量的稀土 氯化物，能加速低温渗硼的速度，进一步提高渗层的致密性．３）低温渗硼层组织细小致密，其耐 磨性要好于高温渗硼层．参考文献１许斌等．尿素对固体渗硼作用的研究．
金属热处理，１９９６ （３）：２３２李木森等．硼砂型粉末渗硼剂．金属热处理，１９９２（１）：４４３王彦平．稀 土元素在化学热处理中的节能效果．金属热处理，１９９４（１０）：３９４隋福楼．渗硼层厚度 测定方法的研究．金属热处理，１９８６（１１）：１１５张瑞蓉等．稀土元素对钢膏剂硼－铝共 渗层组织与性能的影响．材料工程，１９９２（３）：１３ＳｔｕｄｙｏｆＬｏｗＴｅｍｐｅｒａ ｔｕｒｅＢｏｒｏｎｉｚｉｎｇｏｆＲａｒｅＥａｒｔｈＳｈｉＺｉｙｕａｎＳｕｉＺｈｅｎ（Ｄ ａｌｉａｎＲａｉｌｗａｙＩｎｓｔｉｔｉｔｅ）（ＤａｌｉａｎＳｅｃｏｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃ ＭｏｔｏｒＰｌａｎｔ）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｔｕｄｉｅｓｔｈｅｅｆｅｃｔｏｆｒａｒｅｅａｒ ｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｐａｃｔｂｏｒｏｎｉｚｉｎｇ，ｍｅａｓｕｒｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃ ｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｏｒｏｎｉｚｅｄｌ ａｙｅｒｏｆｓｔｅｅｌ４５．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｂｏｒｏｎｉｚｉ ｎｇｒａｔｅｅｖｉｄｅｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｓｗｉｔｈａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｍｏｄ ｅｒａｔｅａｍｏｕｎｔｏｆｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒｅｂｏｒｏｎｉｚｅｄｌａｙｅｒｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＦｅＢ，Ｆｅ２ＢａｎｄＦ ｅ３（Ｃ，Ｂ）ｐｈａｓｅｓ，ａｎｄｎｏａｐｐａｒｅｎｔｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｚｏｎｅｅｘ ｉｓｔｓｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｂｏｒｏｎｉｚｅｄｌａｙｅｒ．Ｔｈｅｂｏｒｏｎｉｚｅｄ ｌａｙｅｒｉｓｖｅｒｙｃｏｍｐａｃｔａｎｄｈａｓｎｏｐｏｒｅｓ，ａｎｄｉｔｓｗｅａｒｒ ｅｓｉｔａｎｃｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； ｂｏｒｉｄｉｎｇ；ｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓ；ｂｏｒｏｎｉｚｅｄｌａｙｅｒ低温 稀土渗硼研究@石子源@隋珍$大连铁道学院$大连第二电机厂低温；渗硼；稀土元素；渗硼层研 究了稀土元素对固体渗硼的作用，测试了４５钢低温渗硼层的组织与性能．结果表明：加适量的稀 土元素可显著的提高渗硼速度，低温渗硼层是由ＦｅＢ、Ｆｅ２Ｂ和Ｆｅ３（Ｃ２Ｂ）等相组成． 其渗层组织致密、无明显疏松及孔洞，渗硼层前沿过渡区较窄，有良好的抗磨损特性．１许斌等． 尿素对固体渗硼作用的研究．金属热处理，１９９６（３）：２３２李木森等．硼砂型粉末渗硼剂 ．金属热处理，１９９２（１）：４４３王彦平．稀土元素在化学热处理中的节能效果．金属热处 理，１９９４（１０）：３９４隋福楼．渗硼层厚度测定方法的研究．金属热处理，１９８６（１ １）：１１５张瑞蓉等．稀土元素对钢膏剂硼－铝共渗层组织与性能的影响．材料工程，１９９２ （３）：１３在钢中的扩散．故当渗剂中稀土元素含量大于５％时，其催渗效果就不显著．另外， 又从图２看出，稀土渗硼可使渗层的齿针更加致密，甚至不呈现齿针形态．原因是稀土元素是表面 活性元素，能渗入工件表面成为硼化物相的形核中心，使新相的形核率增加，故使渗层组织细小致密．图５４５钢低温渗硼和高温渗硼的磨损曲线２．３渗硼层的耐磨性能图５为４５钢在不同处理状态下的磨损失重与磨损时间的关系曲线．其中曲线１为８５０℃×６ｈ高温渗硼，曲线２为７００℃×６ｈ低温稀土渗硼．由图可见，在磨损的初期阶段，低温稀土渗硼层显示出优良的耐磨性能
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