固體滲硼在石油機械中的應(yīng)用研究

張慶廷

（國家石油機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（江蘇），建湖 224700）

固體滲硼在石油機械中的應(yīng)用研究

張慶廷

（國家石油機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（江蘇），建湖 224700）

本文主要介紹固體滲硼原理及滲硼層組織、性能，并對固體滲硼技術(shù)在石油機械中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析。

滲硼技術(shù) 固體滲硼 石油機械

引言

隨著工業(yè)化建設(shè)，機械零件對原材料的性能提出了更高的要求。機械材料包含類別較多，如結(jié)構(gòu)材料、工具材料等，各種材料在實際應(yīng)用中的主要目的都是保障機械零件能夠穩(wěn)定運行。機械零件失效主要有斷裂、腐蝕及磨損三種形式。我國每年在機械零件失效上都會損失較高的經(jīng)濟(jì)利益，因此提高機械零件性能，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，對我國社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。

1 固體滲硼原理

1.1 固體滲硼過程中所存在的化學(xué)反應(yīng)

固體滲硼主要應(yīng)用的是固體滲硼劑，供硼劑為B4C，催化劑為KBF4，填充劑為木炭及SiC。固體滲硼有關(guān)化學(xué)反應(yīng)能在650～950℃進(jìn)行，正常情況下是在800～900℃，整個反應(yīng)溫度需要保持5h左右。機械零件在與滲硼劑共同加熱后，可以直接進(jìn)行淬火或者是制冷操作。

滲硼反應(yīng)基本上都是在高溫狀態(tài)下進(jìn)行，反應(yīng)過程中物質(zhì)狀態(tài)較為豐富，部分滲硼反應(yīng)固體、液體和氣體狀態(tài)都會存在，因此滲硼整個反應(yīng)十分復(fù)雜。各種物質(zhì)之間在發(fā)生滲硼反應(yīng)后，能夠讓硼原子進(jìn)入到機械零件內(nèi)，形成硼化合物。

現(xiàn)階段的固體滲硼工作，已不再是簡單的Fe2B的滲硼，往往是獲得雙相滲層。在雙相滲層反應(yīng)中，所得到的材料在硬度方面性能提高較為顯著，但是剝落傾向性也會顯著提升。能夠進(jìn)行滲硼反應(yīng)的原材料種類較多，例如結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等。對滲硼反應(yīng)造成影響的因素也較多，如反應(yīng)時間、碳含量等。

1.2 滲硼層形成的機理

滲硼反應(yīng)是硼原子進(jìn)入各種機械零件內(nèi)的過程。硼原子與機械零件材料在一定溫度下形成的化合物層，就是滲硼層，整個滲硼流程可看作是多個步驟形成。

滲硼層形成主要可以分為3個步驟，首先是供滲劑內(nèi)的硼原子向機械零件表面轉(zhuǎn)移，其次機械零件表面形成硼化合物，最后是滲硼層的生長。整個滲硼層形成可分為兩個階段，分別是金屬表面階段與次表面階段，即硼原子向機械零件內(nèi)部滲透的過程，反應(yīng)時間、溫度和反應(yīng)物有著緊密關(guān)聯(lián)[1]。

2 滲硼層組織及性能

2.1 滲硼層的組織結(jié)構(gòu)

對FeB相圖進(jìn)行研究可發(fā)現(xiàn)，整個滲硼過程是由表面依次向內(nèi)進(jìn)行的，分別是Fe、Fe2B、過渡層、內(nèi)部基體組織。滲硼化學(xué)反應(yīng)要是在900℃以上進(jìn)行，硼化合物內(nèi)有可能出現(xiàn)FeB等相。正是由于碳合金化合物在硼化物內(nèi)的溶解性較低，在整個滲硼反應(yīng)過程中，硼化合物在形成時，機械零件內(nèi)的碳及其化合物會逐漸從機械零件內(nèi)滲透出來，在反應(yīng)結(jié)束后，硼化合物周圍會形成擴散層[2]。

2.2 滲硼層的性能

硼在與鐵反應(yīng)形成化合物時，主要形成物相有兩種，分別是高硼相與低硼相。高硼相主要指的是FeB，低硼相則指的是Fe2B。兩種物相在不同條件下具有的特點存在一定差異。機械零件內(nèi)的滲硼層基本上都是由高硼相和低硼相混合而成，滲硼層的性能由組合物相互影響形成，在各種組合物中對于滲硼層性能影響最大的就是鐵硼相。機械零件滲硼層主要特點如下。

2.2 .1 高硬度及高耐磨性

鐵硼化合物自身具有良好的硬度，因此鋼鐵在經(jīng)滲硼工藝處理后，自身表面硬度會提高，正常情況下，鐵硼化合物的耐磨性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于滲碳或滲氮。

2.2 .2 高熱硬性

鐵硼化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，因此自身具有良好的熱硬性。機械零件在經(jīng)過滲硼反應(yīng)后，只要在800℃下使用，就能保證良好的高硬度，機械零件工作穩(wěn)定性能得到保證。

2.2 .3 良好的高溫抗氧化性及抗蝕性

滲硼反應(yīng)是發(fā)生在高溫狀態(tài)下，在反應(yīng)過程中機械零件形成鐵硼化合物，對于機械零件進(jìn)行保護(hù)，讓整個氧化反應(yīng)速度顯著下降，經(jīng)滲硼處理后的機械零件都具有良好的抗氧化性[3]。

3 冷卻對鋼管單一滲硼后組織和性能的影響

鋼抽油管由于所需經(jīng)濟(jì)成本較低，在石油機械內(nèi)廣泛應(yīng)用，但由于鋼抽油管工作環(huán)境較為復(fù)雜，鋼管的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)期結(jié)果。固體滲硼在實際應(yīng)用中能顯著提高鋼管的耐磨性與耐腐蝕性，但是硼反應(yīng)會對鋼管脆性造成一定影響，使鋼管的抗拉強度無法達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 顯微組織

鋼管在發(fā)生滲硼反應(yīng)后，滲硼層主要由FeB與Fe2B構(gòu)成。在對于滲硼層顯微組織進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)鋼管主要分為硼化物層、過渡區(qū)域和基體三個部分。滲硼層呈現(xiàn)鋸齒狀，這種化學(xué)結(jié)構(gòu)能緊密與滲層相連接。鋼管冷卻過程中，保溫時間得到有效延長，這樣對于滲硼層與基體之間結(jié)合十分有利。

硼原子對于固體溶液內(nèi)溶解度較低，但在有關(guān)化合物內(nèi)的溶解度卻較高。滲硼反應(yīng)主要通過供硼劑形成硼原子，使硼原子能進(jìn)入到鋼管內(nèi)。在鋼管過渡區(qū)內(nèi)，所含的珠光體數(shù)量較多，主要原因是鋼管內(nèi)的碳被硼原子擠壓出來，進(jìn)而造成鋼管內(nèi)層具有較多的珠光體[4]。

在對不同冷卻方式狀態(tài)下的鋼管顯微組織研究可發(fā)現(xiàn)，任何一種冷卻方式造成的結(jié)果主要有兩種，分別是黑色珠光體與白色鐵素體，但由于珠光體與鐵素體含量間存在一定差異。冷卻時間縮短時，鋼管內(nèi)層晶粒直徑會逐漸減小。

3.2 力學(xué)性能

對固體滲硼后的鋼管進(jìn)行纖維分析，滲硼層硬度基本上在1220～1600HV，基體硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1600HV。對不同冷卻方式下的滲硼與未滲硼力學(xué)性能研究中，發(fā)現(xiàn)滲透后鋼管的抗拉強度和屈服強度都低于未滲透鋼管性能，主要原因是滲硼層在形成過程中出現(xiàn)開裂情況。

3.3 拉伸斷口

在對滲硼鋼管與未滲硼鋼管冷卻處理研究中，機械零件在斷裂過程中，會形成較多的裂紋。不同斷裂類別的特點也存在一定差異，斷裂方式由材料類別的不同而不同。就以多晶體金屬材料來說，主要可以分為脆性斷裂-斷裂前幾乎不產(chǎn)生顯著塑形變形與韌性斷裂-斷裂前發(fā)生顯著塑形變形[5]。滲硼鋼管與未滲硼鋼管在拉伸斷口上面最為顯著差異為，滲硼鋼管拉伸斷口較大，屬于脆性斷裂，但未滲硼鋼管拉伸斷口較小，屬于韌性斷裂。

4 結(jié)語

石油機械零件工作環(huán)境較為復(fù)雜，在工作中常會受到硬質(zhì)顆粒或腐蝕物質(zhì)影響，這就需要石油機械零件具有良好的耐磨性及耐蝕性。滲硼是目前提高鋼件耐磨性最有效的工藝方式，在20世紀(jì)80年代就逐漸開始應(yīng)用到石油機械中。對于滲硼方法應(yīng)用研究中，最為成功的就是固體滲硼，這種滲硼方法在應(yīng)用中不需要專業(yè)設(shè)備，因此得到廣泛應(yīng)用。本文對固體滲硼在石油機械中的應(yīng)用進(jìn)行研究，還存在一定不足，僅供參考。

[1]邱萬奇，熊成，孫歌，等.固體滲硼在熱鍛模具中的應(yīng)用進(jìn)展[J].機電工程技術(shù)，2016，（9）：1-6.

[2]劉建建，陳祝平.膏劑滲硼及其研究現(xiàn)狀[J].電鍍與精飾，2011，（7）：24-28.

[3]周旸.Cr結(jié)構(gòu)鋼滲硼動力學(xué)的研究[J].機械設(shè)計與制造工程，2013，（11）:79-83.

[4]謝飛，朱麗曼，程健，潘建偉.交流電場作用下的中低碳鋼低溫粉末法滲硼[J].常州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，（1）：41-45.

[5]趙景浩，羅宏.球墨鑄鐵粉末滲硼的耐蝕性能研究[J].熱加工工藝，2014，（12）：166-169，180.

The Application of Solid Boronization in Petroleum Machinery

ZHANG Qingting
(National Petroleum machinery products quality supervision and Inspection Center (Jiangsu), Jianhu 224700)

This paper mainly introduces the principle and the microstructure and properties of boronizing layer solid boronizing, and the application of solid boriding technology in petroleum machinery in the research and analysis.

boriding technology, solid boronizing, petroleum machinery