高碳钢渗硼层硼化物价电子层次分析

赵志伟　关博文

【摘 要】本文应用“固体与分子经验电子理论”从价电子层次分析了渗硼层硼化物FeB、Fe2B的结构特征，并使用BLD（键距差法）计算了FeB、Fe2B的n′α及E′α值，经过分析解释了FeB及Fe2B的脆性原因，以及渗硼过程中组织形成Fe2B和FeB的电子层次机理。

【关键词】FeB；Fe2B；EET；渗硼；价电子

0 前言

渗硼工艺可以使钢铁零件获得很高的表面硬度、优良的耐摩性和耐腐蚀性能、抗高温氧化性和较高的疲劳强度等，而广泛的应用于拉丝模 、锻模、穿孔针、 油泵、注塞 件、阀门等机件上[1]。多年来，人们对渗硼层硼化物进行了大量的研究工作[2]，一般的，渗硼层有单相（Fe2B）或双相（FeB+Fe2B）。通常，人们希望得到锯齿状的Fe2B单相硼化物，这是因为硼含量为16.23%的FeB（斜方晶体）比硼含量为8.8%的Fe2B（四方晶体）更脆，并且由于FeB和Fe2B的热膨胀系数不同，当载荷较大时容易在FeB/Fe2B的界面产生裂纹，造成表面渗层的剥落。而渗硼层中各相的形成主要取决于渗硼温度及时间，如果硼化剂的活性较高，渗硼的时间足够长，将在Fe2B层的外侧形成含硼量更高的FeB化合物，渗层脆性增加。但如果渗硼时间过短，只形成Fe2B，会造成渗层厚度不够，也会影响零件的耐磨性能和机械性能。因此，需要合理的控制热处理工艺，来实现双相FeB（少量）+Fe2B的渗层组织[3]。

本文依据固体与分子经验电子理论，计算了FeB和Fe2B的晶体结构模型，从价电子的角度分析渗硼层硼化物的脆性本质，为更好的进行工艺设计提供依据。

1 渗硼层组织相结构参数

1.1 FeB晶胞模型

2 计算结果及分析

但是Fe2B中最强键与第二键的E′值所差无几，可以近似认为两键成键能力相同，这将加大Fe2B的整体形成能力，加快Fe2B的形成速度及数量。使得Fe2B先于FeB形成，而随着渗硼时间的继续，组织中将形成FeB。这也正好说明了渗硼过程中，硼层组织中存在少量的FeB以及大量的Fe2B组织。

3 结论

3.1 渗硼层硼化物的组织脆性主要由于晶胞中存在较大的n′落差梯度，容易造成应力过于集中，导致结构破裂，宏观表现为组织脆性。

3.2 渗硼层中主要存在大量的Fe2B是因为其成键能力远高于FeB，加快了Fe2B的成键速度，因此组织中主要为Fe2B。

【参考文献】

[1]王克武.45#碳钢渗硼工艺及性能研究[J].四川轻化工学院学报.1997；10（2）：39-44.

[2]李木森，傅绍丽，徐万东，等.Fe2B相价电子结构及其本质脆性[J].金属学报.1995；31（5）：201-207.

[3]]慕东，王渠东，沈保罗.渗硼对钢铁表面组织与性能影响的研究现状[J].材料导报，2009（7）：42-44.

[4]刘志林，林成.合金电子结构参数统计值及合金力学性能计算[M].北京：冶金工业出版社，2007：15-16，159-181.

[5]刘志林，李志林，刘伟东.界面电子结构与界面性能[M].北京：科学出版社，2002：14-19.

[6]张瑞林.固体与分子经验电子理论[M].长春：吉林科学技术出版社，1993：272-273.

[责任编辑：王伟平]