稀土添加剂对感应加热渗硼的影响

朱飞勇，陈祝平，杨 光

(集美大学机械工程学院，福建 厦门 3621021)

0 引言

渗硼方式分为气体渗硼、固体渗硼、熔融盐浴渗硼、电解渗硼及电化学渗硼等[1－2]．Fe－B的共晶温度较低 (约1161℃)，渗硼温度一般为850～1050℃[3]．硼化物具很高的硬度和化学稳定性，金属和合金渗硼能提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性，特别是提高金属和合金钢的耐磨能力．单一渗硼的渗硼层存在着脆性大、渗层薄、组织结构不致密、硬度下降快等缺点[4]．降低渗硼脆性有效方法是共晶渗硼，并得到软硬相配的组织，取代通过普通渗硼得到的由硬相组织的连续硼化物层，但若在炉中进行，则加热时间长，基体组织也因加热温度高而粗化，因此采用高频感应加热[5]．程树红等通过高频感应加热渗硼指出，当钢铁试样加热到1100℃，保温20 s，即可得到100 μm左右的共晶型渗硼层[6]．采用多元渗硼，即渗硼剂中加入适量的稀土元素，进行硼稀土二元共渗，在一定工艺条件下，稀土元素能够与硼同时渗入钢的表面，可以加快渗硼速度、厚度和改善硬度分布[7]．钟华仁[7]指出，在渗硼中添加适量的稀土物质，在一定的工艺条件下，稀土元素能够同时渗入钢的表面，并且具有催渗效果，能够增加渗硼层厚度和改善渗硼层的硬度分布．王洪海等[8]指出在膏剂中加入稀土可以提高渗硼层的质量．刘建建等[4]指出，适量地添加氧化铈，可以显著改善渗硼层组织，并能使渗层厚度增加10%以上．除加入稀土外，加入氧化铬同样可以改善渗硼层质量[9]．

本文通过改变感应间隙，探究如何通过感应加热渗硼得到共晶渗硼层，并在硼膏剂中添加氧化镧等4种稀土，进行硼稀土共渗，研究稀土对渗硼层的催渗效果以及对渗硼层质量的改善．

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为 Q345合金结构钢，钢材各元素的质量分数为:C，0.16%;Si，0.41%;Mn，1.41%;P，0.016%;S，0.0096%．

试样尺寸分别为φ14 mm×25 mm、φ18 mm×25 mm和φ22 mm×25 mm．

采用GSB－I型膏剂渗硼剂，其主要成分为碳化硼、三氧化二硼、氟硼酸钾、无水碳酸钠、碳化硅和糊精粉．

稀土添加剂包括氧化铈、氧化镧、氯化镧和氯化亚铈．

1.2 试验方法

在有效感应加热时间t=8 min，加热功率P=3900 W的前提下，通过3种不同的间隙来得到共晶渗硼层，这三种间隙分别为a1=23.5 mm、a2=21.5 mm和a3=19.5 mm．

硼稀土二元共渗试验设计如表1所示．对4种不同的稀土，各采用3种质量分数对稀土添加剂的作用进行研究．

表1 硼稀土共渗试验设计Tab.1 Boron-RE permeation test design

1.2.1 感应加热渗硼处理

试验前对试样进行精车，去除试样上的油污，擦干样品，在抛磨机上将试样的圆周进行磨光．膏剂配置:原膏剂以及在原膏剂的基础上分别添加1%、2%和3%的氯化亚铈、氧化镧、氧化铈和氯化镧共配置成13种膏剂．把配好的膏剂均匀的涂覆在试样表面，硼膏剂厚度统一为4 mm，在室温条件下放置8～10 h，然后在温度为100℃的SQ2－3－12坩埚电阻炉里面干燥1 h．

使用频率为14～30 kHz，额定功率为20 kW的MGPS－0－30半导体变流装置进行感应渗硼．感应圈内径为61 mm，管壁厚度为1.5 mm，管径为6.1 mm．

预热2 min，第1 min加热功率P=2363.5 W，第2 min加热功率P=3380 W．后面8 min为有效感应加热时间，加热功率P=3900 W．

1.2.2 试样制作

1)金相试样制作过程:去掉残余膏剂层→清洗试样→截取试样块→镶嵌→磨光和抛光→腐蚀．

2)金相试样显微硬度测量:使用HV－1000显微硬度机测量显微硬度．测量时，载荷为25 g，加载时间为15 s，采用由表面向内部打硬度值的方式测量，根据渗硼层的厚度选择打点的间隔和数量．

3)显微组织观察:使用4%的硝酸酒精对试样腐蚀15 s左右，用清水洗去残余的硝酸酒精，并擦干．然后，使用DZ4连续变焦视频显微镜观察显微组织结构并测量渗硼层的厚度．渗层厚度用硼化物楔入基体的厚度的平均值h来表示，一般测量时取其中5个厚度 (选取出现概率大的硼针)．

2 试验结果与分析

2.1 渗硼层显微组织及渗层厚度分析

在探究共晶渗硼层的试验中，通过DZ4连续变焦视频显微镜可以看到如图1所示的情形．

图1 Q345钢在不同间隙下感应加热渗硼的显微组织图Fig.1 Q345 steel in different gap induction heating boriding microstructure figure

图1a为感应间隙a=19.5 mm的试样，渗层厚度加厚，并且在渗层可以看到很多呈圆形的球状组织，这主要是在高温的情况下，渗剂中的活性[B]运动速度过快，不能及时和铁原子结合生成硼化物，只有当活性[B]进入到一定深度时，其速度减慢，才能与铁原子结合形成硼化物．由于不同活性[B]原子运动速度不同，导致有的地方为珠光体组织，有的地方为硼化物．由于珠光体组织的硬度低于硼化物的硬度，这样就形成共晶渗硼层．从图1a可看到明显的渗层分界线，在分界线上方为共晶渗硼层，在分界线下方褐色区域为过渡层，在褐色区域下方为基体组织．图1b也有明显的渗层分界线，在分界线上方是共晶渗硼层，下方为基体组织．图1c试样的表层出现锯齿状渗硼层结构，由Fe2B和FeB组成，而渗层下方基体，主要由珠光体组成．因此表层硼化物硬度比较高，而在试样内部的珠光体组织硬度就会比较低．

对3种试样的渗层厚度进行测量，测得结果如下:当a=19.5 mm(1#)时，渗层厚度为423.4 μm;a=21.5 mm(2#)时，渗层厚度为276.6 μm;a=23.5 mm(3#)时，渗层厚度为18.5 μm．因此1#和2#试样渗层厚度明显比3#试样渗层厚，但是3#试样渗层的主要成分是Fe2B和FeB，而1#和2#试样渗层是硼铁化合物与珠光体的混合物．因此1#和2#试样将出现软硬相配的硬度分布，而3#试样将出现先硬后软的硬度分布．

由图2[10]的铁硼相图可知，图1a的试样感应加热温度高于1161℃的共晶温度，因此形成共晶渗硼层．而图1b试样在加热过程中，试样颜色变白，经过AR－872D非接触式红外测温仪测试，它的温度高于1023℃，接近于共晶温度．图1c在试样表层出现了针状渗硼层结构，并机械的锲入基体内部，但是渗硼连续性不是很好．

同样使用DZ4连续变焦视频显微镜对添加稀土进行感应加热硼稀土共渗试样进行观察，其观察结果如图3所示．从图3可知:添加稀土试样的渗硼层会比没有添加稀土渗硼的厚度要厚，其具体厚度见表2所示．从渗硼层的组织来看，添加2%氧化镧稀土的渗硼不但致密性好，而且连续也好，没有出现断开状态，而没有添加稀土的渗硼层在右侧出现断开状态．但是从渗硼层与基体的结合情况来看，当硼针越尖锐，渗入基体越深，则与基体结合越佳，并且不容易脱落．图3c的渗硼层比较尖锐，并且其渗硼层连续较好．图3d的渗硼不尖锐，呈带状，在实际工作中容易剥落，而图3e的渗硼呈块状，并且其连续性不是很好．

各种稀土的市场价如下:氯化亚铈58元/mg、氧化镧52元/mg、氯化镧46元/mg、氧化铈45元/mg．因此选择氯化镧稀土作为添加剂即满足渗硼质量和厚度要求，又经济又实惠．

图2 Fe-B系状态图Fig.2 Fe-B-based state diagram

图3 Q345钢硼稀土共渗组织对比图Fig.3 The tissue of the boron-RE common-permeate comparison chart

表2 硼稀土共渗的渗硼层厚度Fig.2 the boride of the boron-RE common-permeate cerous chloride

2.2 渗硼层硬度分析

对探索共晶渗硼层的三个试样进行显微硬度测试，并把测试的数据通过计算机绘成硬度走势图 (见图4)．在图4中，“△”所在的硬度曲线图的硬度值呈波浪线趋势由表层向内层递变，并且峰谷之间的差距逐渐变小．而“△”的硬度曲线是感应加热间隙a=19.5mm的硬度值．因此通过硬度测试，可以验证共晶渗硼层的软硬相配硬度分布．而感应间隙a=21.5mm对应的曲线图在开始时3个硬度值在600 HV以上，后面的硬度值均匀，基体硬度差不多，主要原因是渗硼与基体交界部分的硼化物较少导致的．对于感应加热间隙a=23.5 mm试样的硬度测试值来看，试样为形成共晶渗硼层，同时也验证硬度先高后低的分布状况．

图4 间隙感应加热渗硼层的硬度分布Fig.4 Microhardness of the boride of the gap induction heating boriding

使用HV－1000对硼稀土二元共渗试样进行硬度测试，绘成硬度分布图 (见图5)．从图5中可以看出，硬度值下降最快的是添加氧化铈稀土的硬度曲线，其次是没有添加稀土硬度曲线，添加氯化镧和氯化亚铈的渗硼层硬度下降最缓慢．还可看到，添加氧化镧、氯化镧以及氯化亚铈的试样渗硼层的硬度出现了先增加后减小的现象．这种硬度分布说明在渗硼层的中间部分，渗层致密度较好，在渗层外部以及与基体接触的地方，渗硼较为稀疏，并且这3种试样的高硬度带分布最大，硬度下降比较缓慢．因此通过对试样的硬度测试证实，添加氧化镧、氯化镧以及氯化亚铈稀土的渗硼层致密度较好，渗硼质量有了明显提升，并且硬度下降趋于缓慢．而氧化铈对试验的渗硼层没有什么改善效果．

图5 硼稀土共渗渗硼层的显微硬度分布图Fig.5 Microhardness of the boride of the boron-RE common-permeate

3 结论

1)当感应加热功率P=3900 W，时间t=8 min，感应间隙a=19.5 mm时出现渗硼共晶组织，并且渗硼层厚度为423.4 μm．其共晶渗硼层组织结构呈圆状的组织结构，并且出现软硬相配组织，硬度较高部分主要是硼化物，硬度较低部分主要是珠光体组织．

2)硼稀土二元共渗试验中可以知道，氧化镧、氯化镧以及氯化亚铈在感应加热渗硼中具有催渗效果，渗硼层致密度较好，能使渗硼层质量得到提升，并且硬度下降趋于缓慢渗硼层，而氧化铈稀土在感应加热渗硼的催渗效果不明显．

3)通过综合比较渗硼层组织结构、渗硼层厚度以及硬度分布，得出添加氯化镧稀土对渗硼层的催渗效果最佳．

[1]BEKTES M，CALIK A，UCAR N，et al．Pack－bording of Fe－Mn binary alloys:characterization and kinetics of the boride layers [J]．Materials Characterization，2010，61，233-239．

[2]张蜀红，刘炳等．渗硼工艺研究与应用现状及发展 [J]．热加工工艺，2007，36(12):69-71．

[3]潘邻．表面改性热处理技术与应用[M]．北京:机械工业出版社，2006．

[4]刘建建，陈祝平，杨光，等．稀土对Q345钢渗硼层的影响及其催渗研究 [J]．表面技术，2012，40(1):86-88．

[5]周木兰，陈树旺，吕广庶．感应加热渗硼[J]．机械工人，1984(7):46-49．

[6]程树虹，张一公，周虹，等．高频感应加热渗硼 [J]．热加工工艺，1987(2):12-16．

[7]钟华仁．钢的稀土化学热处理 [M]．北京:国防工业出版社，1998．

[8]王洪海，秦志伟．含稀土固体渗硼剂渗硼处理试验 [J]．物理测试，2006，24(3):36-37．

[9]IVANOV A S，A SOKOLV N．Surface Hardening of Low-Carbon Martensitic Steels by Boronizing[J]．Metal Science and Heat Treatment，1998，40，266-268．

[10]SUSARSHAN T S．表面改性技术 [M]．北京:清华大学出版社，1992．