与单一渗硼相比 ,固体硼氮复合渗具有渗速快、渗层深、渗层机械性能好、渗剂价格低廉、表面光洁等优点 ,但处理时需要装箱 ,劳动强度大 ,导热性差 ,能源、钢材和渗剂损耗大 ,且不能实现局部共渗。为此 ,我们研制了硼氮共渗膏剂 ,与固体硼氮共渗剂具有同等优良的性能 ,且处理后试样表面易清理。1 实验部分1.1 渗剂原料 渗剂由供硼剂、供氮剂、催渗剂、填充剂、粘结剂所组成。1.2 试样材料 试验试样有 Q2 35钢、 4 5钢、T8钢和 GCr15钢等4种。1.3 加热设备 加热可在 SX2 - 10 - 12型电阻炉 ,SR- JX- 8- 13型高温电炉上进行。1.4 试验方法 将各种渗剂原料按比例均匀混合后 ,用水调成糊状 ,均匀涂敷在洁净试样表面上 ,
涂层厚度 3～ 4 mm,经自然干燥或烘干后 ,即可置于 890℃左右的空气炉中加热进行硼氮共渗 ,加热时间为 4～ 5 h.共渗后工件可随炉冷却或油淬。对于淬火温度较高的合金钢 ,在硼氮共渗结束后 ,可直接升高至淬火温度进行淬火。处理工艺为 890℃× 4～ 5 h。处理时可在涂层表面形成光滑致密的釉壳 ,处理后冷至室温时 ,轻敲壳体 ,外壳即行脱落 ,而釉壳下的涂料仍能保持疏松状态 ,极易消除。2 结果与分析2 .1 保温时间和温度对渗层深度的影响 4 5钢在 890℃共渗时 ,共渗保温时间对渗层深度的影响见表 1。 从节约时间及保证渗层性能的角度考虑 ,保温时间以 5 h为宜 ,在实际应用中 ,应根据所需硬化层深度选择保温时间45钢在共渗时间为 5 h时 ,共渗温度对渗层深度的影响见表 2。表 1 保温时间对渗层深度的影响Table 1 The effect of heating time to the boron- nitridingdepth保温时间Heating time (h)渗层深度Boron- nitriding depth (mm)30 .0 795 0 .1367 0 .184表 2 共渗温度对渗层深度的影响Table2 The effect of heating temperature to the boron-nitriding depth共渗温度Heating temperature (℃ )渗层深度Boron- nitriding depth (mm)84 0 0 .0 5 2890 0 .13694 0 0 .185 为保证渗层深度和工件心部的晶粒不长大 ,并避免试样表面涂料的粘结 <1> ,对不同材料应选择不同的共渗温度。从表 2可见 ,4 5钢以选用 890℃共渗为宜。2 .2 不同材料对渗层深度的影响 不同钢材经 890℃× 5 h共渗后 ,材料对共渗层深度的影响见表 3。表 3 材料对共渗层深度的影响Table 3 The effect of Base Materials to the boron- nitridingdepth 钢材牌号 Steel Grade渗层深度Boron- nitriding depth (mm) Q2 35 0 .14 5 4 5 0 .136 GCr15 0 .112 T80 .0 85 钢中的碳阻碍硼的渗入 ,因而在碳含量增加时 ,将使渗层深度下降。合金元素与碳一样 ,也阻碍硼在钢中的扩散。铬不仅使渗硼层层深减小 ,而且使针状插入变得平坦 <1> 。Q2 35、4 5、T8和 GCr15钢 890℃× 5 h处理后 ,Q2 35和 4 5钢因碳和合金元素含量低 ,因而渗速快、渗层深。2 .3 涂层厚度和粘结剂对渗层深度的影响 涂层厚度对层深的影响见表 4。 实验证明 ,涂层太薄 ,会对试样产生腐蚀 ,且渗层浅。但涂层达到一定厚度后 ,再增加厚度 ,则对层深影响不大。涂层厚度以 4 mm为宜。表 4 涂层厚度对层深的影响Table 4 The effect of coating thickness to the boron-nitriding depth涂层厚度Coating thickness (mm )渗层深度Boron- nitriding depth (mm )2 0 .0 6 530 .0 854 0 .1325 0 .138注 Note:Steel4 5钢 ,890℃× 5 h表 5 不同粘结剂对渗层深度的影响Table 5 The effect of adhesives to the boron- nitriding depth粘结剂Adhesive渗层深度Boron- nitridingdepth (mm )水 +纤维素Water+cellulose 0 .136松香 +酒精Colophony+alcohol 0 .0 5 3水玻璃 +少量纤维素Na2 Si O3+little cellulose 0 .0 13注 Note:Steel4 5钢 ,890℃× 5 h 安阳钢铁公司膏剂渗硼曾用过松香 +酒精作为粘结剂。孙希泰 (孙希泰等 .涂保护层膏剂渗硼的研究 ,见 :第三届全国渗硼学术讨论会论文集 ,1985 .)介绍用水玻璃 +纤维素作为保护涂层。试验结果表明 ,以少量水调和纤维素作粘结剂为最佳。2 .4
耐磨性 试验在 MM- 2 0 0型磨损试验机上进行 ,试样外径为 4 0 mm ,内径 16 mm,截面厚度 10 mm。共渗后试样在 10 kg负荷下 ,进行高速对磨试验。试验结果见表6、表 7。表 6 膏剂和固体硼氮共渗耐磨性对比Table6 The compare of wear- resistance of paste and powderboron- nitriding试样处理方法Boron- nitriding Method失重Weight loss(mg)膏剂 Paste 36 .6固体 Powder 30 .2注 Note:Steel4 5钢 ,890℃× 5 h表 7 膏剂硼氮共渗和固体渗硼耐磨性对比Table 7 The compare of wear- resistance of paste boron-nitriding and powder boronizing试样处理方法Treating method of sam ple失重Weight loss (mg)膏剂硼氮共渗Paste boron- nitriding 6 6 .7固体渗硼Powder boronizing 15 9.1注 Note:Steel 4 5钢 ,890℃× 5 h 试验结果表明 ,膏剂硼氮共渗试样的耐磨性与固体硼氮复合渗相当 ,而比固体渗硼试样则好得多 ,其原因是 ,硼氮共渗时氮的渗入强化了过渡层 ,改善了高硬度渗硼层的剥落、开裂倾向 <2 > 。测得试样表层、过渡层和基体的硬度分别为 HV180 0～ 185 0、HV6 70～72 0和 HV190～ 2 0 0。2 .5 耐蚀性 腐蚀试验结果见表 8。表 8结果表明 ,经膏剂硼氮共渗的试样耐 10 0 % HCl和 30 % H2 SO4的腐蚀性与固体硼氮复合渗处理过的试样相当 ,二者均比1Cr18Ni9Ti钢要好。文献 <3,4 >中测试试样经硼氮复合渗后的电极电位 ,结果是经复合渗试样的电极电位不仅高于未经复合渗的钢试样 ,而且高于不锈钢 ,所以其抗硫酸、盐酸腐蚀能力比不锈钢还好。表 8 腐蚀对比试验结果Table8 Test resultof corrosion- resistance试验处理条件Treating method of sample腐蚀失重 Weight loss(% )10 0 %HCl3 0 %H2 SO4Steel Q2 3 5钢膏剂硼氮共渗Paste boron-nitriding 0 0固体硼氮复合渗Powder boron-nitriding 0 0未处理 Nottreated 1976(84h)Steel 1Cr18Ni9Ti钢 2 2 3注 Note:2 0℃ ,浸蚀时间 Test time 96h.2 .6 相结构 Q2 35钢经 90 0℃× 5 h膏剂硼氮共渗后 ,渗层的相结构分析结果如图 1所示。表层为 Fe2 B、α- Fe、 Fe3 N相 ,第二层为 Fe2 B、Fe3 N、α- Fe,第三层为 Fe2 B、Fe3 N、α- Fe相 ,基体为α- Fe相。试样在加热过程中 ,氮原子先渗入 ,后渗入硼原子形成硼化物。由于氮原子在 γ-Fe(90 0℃高温时 Q2 35钢的主要固熔相 )中的扩散系数比在 α- Fe中扩散系数小得多 ,在 90 0℃保温时 ,氮原子则很难向内部继续扩散。因此 ,在一定深度范围内就富集了许多氮原子 ,高温缓冷后易出现 Fe3 N相(机械工业部机电研究所 .钢铁材料渗氮层金相组织图谱 ,1984 .)。2 .7 膏剂表面壳层相结构分析及自保护机理 (1)壳层相结构。经高温加热后的膏剂在表面形成的壳体 ,在室温下的相结构分析表明 ,表面壳层为非晶的玻璃态物质。 (2 )自保护机理。孙希泰 (孙希泰等 .涂保护层膏剂渗硼的研究 ,见 :第三届全国渗硼学术讨论会论文集 ,1985 .)认为 ,Fe Si O3 在 890℃处于熔融状态 ,可形成表面玻璃态膜 ,此膜能阻止外界空气进入 ,防(a)(b)(c)(d) 图 1 膏剂硼氮共渗层的 X射线衍射图谱 (Cu Kα,4 0 k V,4 0 m A,扫描速度 Scanning speed 2 0 s/ deg)Fig.1 X- ray diffracti
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