稀土添加劑對(duì)感應(yīng)加熱滲硼的影響

朱飛勇，陳祝平，楊 光

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門 3621021)

0 引言

滲硼方式分為氣體滲硼、固體滲硼、熔融鹽浴滲硼、電解滲硼及電化學(xué)滲硼等[1－2]．Fe－B的共晶溫度較低 (約1161℃)，滲硼溫度一般為850～1050℃[3]．硼化物具很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，金屬和合金滲硼能提高表面硬度、耐磨性和耐蝕性，特別是提高金屬和合金鋼的耐磨能力．單一滲硼的滲硼層存在著脆性大、滲層薄、組織結(jié)構(gòu)不致密、硬度下降快等缺點(diǎn)[4]．降低滲硼脆性有效方法是共晶滲硼，并得到軟硬相配的組織，取代通過普通滲硼得到的由硬相組織的連續(xù)硼化物層，但若在爐中進(jìn)行，則加熱時(shí)間長(zhǎng)，基體組織也因加熱溫度高而粗化，因此采用高頻感應(yīng)加熱[5]．程樹紅等通過高頻感應(yīng)加熱滲硼指出，當(dāng)鋼鐵試樣加熱到1100℃，保溫20 s，即可得到100 μm左右的共晶型滲硼層[6]．采用多元滲硼，即滲硼劑中加入適量的稀土元素，進(jìn)行硼稀土二元共滲，在一定工藝條件下，稀土元素能夠與硼同時(shí)滲入鋼的表面，可以加快滲硼速度、厚度和改善硬度分布[7]．鐘華仁[7]指出，在滲硼中添加適量的稀土物質(zhì)，在一定的工藝條件下，稀土元素能夠同時(shí)滲入鋼的表面，并且具有催滲效果，能夠增加滲硼層厚度和改善滲硼層的硬度分布．王洪海等[8]指出在膏劑中加入稀土可以提高滲硼層的質(zhì)量．劉建建等[4]指出，適量地添加氧化鈰，可以顯著改善滲硼層組織，并能使?jié)B層厚度增加10%以上．除加入稀土外，加入氧化鉻同樣可以改善滲硼層質(zhì)量[9]．

本文通過改變感應(yīng)間隙，探究如何通過感應(yīng)加熱滲硼得到共晶滲硼層，并在硼膏劑中添加氧化鑭等4種稀土，進(jìn)行硼稀土共滲，研究稀土對(duì)滲硼層的催滲效果以及對(duì)滲硼層質(zhì)量的改善．

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為 Q345合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼材各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C，0.16%;Si，0.41%;Mn，1.41%;P，0.016%;S，0.0096%．

試樣尺寸分別為φ14 mm×25 mm、φ18 mm×25 mm和φ22 mm×25 mm．

采用GSB－I型膏劑滲硼劑，其主要成分為碳化硼、三氧化二硼、氟硼酸鉀、無水碳酸鈉、碳化硅和糊精粉．

稀土添加劑包括氧化鈰、氧化鑭、氯化鑭和氯化亞鈰．

1.2 試驗(yàn)方法

在有效感應(yīng)加熱時(shí)間t=8 min，加熱功率P=3900 W的前提下，通過3種不同的間隙來得到共晶滲硼層，這三種間隙分別為a1=23.5 mm、a2=21.5 mm和a3=19.5 mm．

硼稀土二元共滲試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示．對(duì)4種不同的稀土，各采用3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)稀土添加劑的作用進(jìn)行研究．

表1 硼稀土共滲試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Boron-RE permeation test design

1.2.1 感應(yīng)加熱滲硼處理

試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行精車，去除試樣上的油污，擦干樣品，在拋磨機(jī)上將試樣的圓周進(jìn)行磨光．膏劑配置:原膏劑以及在原膏劑的基礎(chǔ)上分別添加1%、2%和3%的氯化亞鈰、氧化鑭、氧化鈰和氯化鑭共配置成13種膏劑．把配好的膏劑均勻的涂覆在試樣表面，硼膏劑厚度統(tǒng)一為4 mm，在室溫條件下放置8～10 h，然后在溫度為100℃的SQ2－3－12坩堝電阻爐里面干燥1 h．

使用頻率為14～30 kHz，額定功率為20 kW的MGPS－0－30半導(dǎo)體變流裝置進(jìn)行感應(yīng)滲硼．感應(yīng)圈內(nèi)徑為61 mm，管壁厚度為1.5 mm，管徑為6.1 mm．

預(yù)熱2 min，第1 min加熱功率P=2363.5 W，第2 min加熱功率P=3380 W．后面8 min為有效感應(yīng)加熱時(shí)間，加熱功率P=3900 W．

1.2.2 試樣制作

1)金相試樣制作過程:去掉殘余膏劑層→清洗試樣→截取試樣塊→鑲嵌→磨光和拋光→腐蝕．

2)金相試樣顯微硬度測(cè)量:使用HV－1000顯微硬度機(jī)測(cè)量顯微硬度．測(cè)量時(shí)，載荷為25 g，加載時(shí)間為15 s，采用由表面向內(nèi)部打硬度值的方式測(cè)量，根據(jù)滲硼層的厚度選擇打點(diǎn)的間隔和數(shù)量．

3)顯微組織觀察:使用4%的硝酸酒精對(duì)試樣腐蝕15 s左右，用清水洗去殘余的硝酸酒精，并擦干．然后，使用DZ4連續(xù)變焦視頻顯微鏡觀察顯微組織結(jié)構(gòu)并測(cè)量滲硼層的厚度．滲層厚度用硼化物楔入基體的厚度的平均值h來表示，一般測(cè)量時(shí)取其中5個(gè)厚度 (選取出現(xiàn)概率大的硼針)．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲硼層顯微組織及滲層厚度分析

在探究共晶滲硼層的試驗(yàn)中，通過DZ4連續(xù)變焦視頻顯微鏡可以看到如圖1所示的情形．

圖1 Q345鋼在不同間隙下感應(yīng)加熱滲硼的顯微組織圖Fig.1 Q345 steel in different gap induction heating boriding microstructure figure

圖1a為感應(yīng)間隙a=19.5 mm的試樣，滲層厚度加厚，并且在滲層可以看到很多呈圓形的球狀組織，這主要是在高溫的情況下，滲劑中的活性[B]運(yùn)動(dòng)速度過快，不能及時(shí)和鐵原子結(jié)合生成硼化物，只有當(dāng)活性[B]進(jìn)入到一定深度時(shí)，其速度減慢，才能與鐵原子結(jié)合形成硼化物．由于不同活性[B]原子運(yùn)動(dòng)速度不同，導(dǎo)致有的地方為珠光體組織，有的地方為硼化物．由于珠光體組織的硬度低于硼化物的硬度，這樣就形成共晶滲硼層．從圖1a可看到明顯的滲層分界線，在分界線上方為共晶滲硼層，在分界線下方褐色區(qū)域?yàn)檫^渡層，在褐色區(qū)域下方為基體組織．圖1b也有明顯的滲層分界線，在分界線上方是共晶滲硼層，下方為基體組織．圖1c試樣的表層出現(xiàn)鋸齒狀滲硼層結(jié)構(gòu)，由Fe2B和FeB組成，而滲層下方基體，主要由珠光體組成．因此表層硼化物硬度比較高，而在試樣內(nèi)部的珠光體組織硬度就會(huì)比較低．

對(duì)3種試樣的滲層厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得結(jié)果如下:當(dāng)a=19.5 mm(1#)時(shí)，滲層厚度為423.4 μm;a=21.5 mm(2#)時(shí)，滲層厚度為276.6 μm;a=23.5 mm(3#)時(shí)，滲層厚度為18.5 μm．因此1#和2#試樣滲層厚度明顯比3#試樣滲層厚，但是3#試樣滲層的主要成分是Fe2B和FeB，而1#和2#試樣滲層是硼鐵化合物與珠光體的混合物．因此1#和2#試樣將出現(xiàn)軟硬相配的硬度分布，而3#試樣將出現(xiàn)先硬后軟的硬度分布．

由圖2[10]的鐵硼相圖可知，圖1a的試樣感應(yīng)加熱溫度高于1161℃的共晶溫度，因此形成共晶滲硼層．而圖1b試樣在加熱過程中，試樣顏色變白，經(jīng)過AR－872D非接觸式紅外測(cè)溫儀測(cè)試，它的溫度高于1023℃，接近于共晶溫度．圖1c在試樣表層出現(xiàn)了針狀滲硼層結(jié)構(gòu)，并機(jī)械的鍥入基體內(nèi)部，但是滲硼連續(xù)性不是很好．

同樣使用DZ4連續(xù)變焦視頻顯微鏡對(duì)添加稀土進(jìn)行感應(yīng)加熱硼稀土共滲試樣進(jìn)行觀察，其觀察結(jié)果如圖3所示．從圖3可知:添加稀土試樣的滲硼層會(huì)比沒有添加稀土滲硼的厚度要厚，其具體厚度見表2所示．從滲硼層的組織來看，添加2%氧化鑭稀土的滲硼不但致密性好，而且連續(xù)也好，沒有出現(xiàn)斷開狀態(tài)，而沒有添加稀土的滲硼層在右側(cè)出現(xiàn)斷開狀態(tài)．但是從滲硼層與基體的結(jié)合情況來看，當(dāng)硼針越尖銳，滲入基體越深，則與基體結(jié)合越佳，并且不容易脫落．圖3c的滲硼層比較尖銳，并且其滲硼層連續(xù)較好．圖3d的滲硼不尖銳，呈帶狀，在實(shí)際工作中容易剝落，而圖3e的滲硼呈塊狀，并且其連續(xù)性不是很好．

各種稀土的市場(chǎng)價(jià)如下:氯化亞鈰58元/mg、氧化鑭52元/mg、氯化鑭46元/mg、氧化鈰45元/mg．因此選擇氯化鑭稀土作為添加劑即滿足滲硼質(zhì)量和厚度要求，又經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠．

圖2 Fe-B系狀態(tài)圖Fig.2 Fe-B-based state diagram

圖3 Q345鋼硼稀土共滲組織對(duì)比圖Fig.3 The tissue of the boron-RE common-permeate comparison chart

表2 硼稀土共滲的滲硼層厚度Fig.2 the boride of the boron-RE common-permeate cerous chloride

2.2 滲硼層硬度分析

對(duì)探索共晶滲硼層的三個(gè)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，并把測(cè)試的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)繪成硬度走勢(shì)圖 (見圖4)．在圖4中，“△”所在的硬度曲線圖的硬度值呈波浪線趨勢(shì)由表層向內(nèi)層遞變，并且峰谷之間的差距逐漸變小．而“△”的硬度曲線是感應(yīng)加熱間隙a=19.5mm的硬度值．因此通過硬度測(cè)試，可以驗(yàn)證共晶滲硼層的軟硬相配硬度分布．而感應(yīng)間隙a=21.5mm對(duì)應(yīng)的曲線圖在開始時(shí)3個(gè)硬度值在600 HV以上，后面的硬度值均勻，基體硬度差不多，主要原因是滲硼與基體交界部分的硼化物較少導(dǎo)致的．對(duì)于感應(yīng)加熱間隙a=23.5 mm試樣的硬度測(cè)試值來看，試樣為形成共晶滲硼層，同時(shí)也驗(yàn)證硬度先高后低的分布狀況．

圖4 間隙感應(yīng)加熱滲硼層的硬度分布Fig.4 Microhardness of the boride of the gap induction heating boriding

使用HV－1000對(duì)硼稀土二元共滲試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，繪成硬度分布圖 (見圖5)．從圖5中可以看出，硬度值下降最快的是添加氧化鈰稀土的硬度曲線，其次是沒有添加稀土硬度曲線，添加氯化鑭和氯化亞鈰的滲硼層硬度下降最緩慢．還可看到，添加氧化鑭、氯化鑭以及氯化亞鈰的試樣滲硼層的硬度出現(xiàn)了先增加后減小的現(xiàn)象．這種硬度分布說明在滲硼層的中間部分，滲層致密度較好，在滲層外部以及與基體接觸的地方，滲硼較為稀疏，并且這3種試樣的高硬度帶分布最大，硬度下降比較緩慢．因此通過對(duì)試樣的硬度測(cè)試證實(shí)，添加氧化鑭、氯化鑭以及氯化亞鈰稀土的滲硼層致密度較好，滲硼質(zhì)量有了明顯提升，并且硬度下降趨于緩慢．而氧化鈰對(duì)試驗(yàn)的滲硼層沒有什么改善效果．

圖5 硼稀土共滲滲硼層的顯微硬度分布圖Fig.5 Microhardness of the boride of the boron-RE common-permeate

3 結(jié)論

1)當(dāng)感應(yīng)加熱功率P=3900 W，時(shí)間t=8 min，感應(yīng)間隙a=19.5 mm時(shí)出現(xiàn)滲硼共晶組織，并且滲硼層厚度為423.4 μm．其共晶滲硼層組織結(jié)構(gòu)呈圓狀的組織結(jié)構(gòu)，并且出現(xiàn)軟硬相配組織，硬度較高部分主要是硼化物，硬度較低部分主要是珠光體組織．

2)硼稀土二元共滲試驗(yàn)中可以知道，氧化鑭、氯化鑭以及氯化亞鈰在感應(yīng)加熱滲硼中具有催滲效果，滲硼層致密度較好，能使?jié)B硼層質(zhì)量得到提升，并且硬度下降趨于緩慢滲硼層，而氧化鈰稀土在感應(yīng)加熱滲硼的催滲效果不明顯．

3)通過綜合比較滲硼層組織結(jié)構(gòu)、滲硼層厚度以及硬度分布，得出添加氯化鑭稀土對(duì)滲硼層的催滲效果最佳．

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