Cr 結構鋼滲硼動(dòng)力學(xué)的研究

2013年11月機械設計與制造工程Nov.2013第42卷第11期Machine design and Manufacturing EngineeringVol 42 No. 11DOI:10.3969/.isn.2095-509X.2013.11.020Cr結構鋼滲硼動(dòng)力學(xué)的研究周旸(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210094)摘要:為獲得理想的鋼鐵材料滲硼工藝參數,對影響滲硼層性能的主要因素進(jìn)行了對比試驗。用固體滲硼技術(shù)對40Cr、40CNi和45C鋼分別在850℃,880℃,910℃和940℃保溫條件下進(jìn)行3,5,7,9個(gè)小時(shí)的滲硼處理,首先用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察3種鋼在不同加熱溫度和保溫時(shí)間下各種鋼滲硼層的形貌和顯微組織,發(fā)現滲層以齒狀楔λ杋體。隨后通過(guò)測量3種鋼在不同溫度下不冋滲硼層深度的硬度,發(fā)現硬度峰值在144HV0.1到1490HVO.1之間。最后通過(guò)對40C、40CNi和5Cr鋼進(jìn)行滲硼動(dòng)力學(xué)計算與分析,得出滲硼層厚度與滲硼時(shí)間呈拋物線(xiàn)關(guān)系、生長(cháng)速率常數隨著(zhù)滲硼溫度升高而増加的規律;并且隨著(zhù)含碳量和合金元素的増加,滲硼所需的擴散激活能隨之增大關(guān)鍵詞:碳鋼;(r元素;固體滲硼;滲硼層;動(dòng)力學(xué);擴散激活能中圖分類(lèi)號:TG142.33文獻標識碼:A文章編號:2095-509X(2013)11-0079-05滲硼是一種材料表面強化的化學(xué)熱處理技術(shù),1實(shí)驗方法通過(guò)高溫時(shí)硼的擴散,與基體材料在相應溫度下可1.1實(shí)驗材料與設備形成由一個(gè)或多個(gè)金屬間化合物相組成的滲硼層,1.1.1滲硼試樣能顯著(zhù)地提高基體的表面硬度和耐磨性。鋼鐵材滲硼材料為40Cr、40CrNi和45Cr鋼,試樣尺料經(jīng)滲硼后得到的滲硼層由Fe2B或者FeB+Fe2B寸均為φ15mm×10mm,每種鋼有16個(gè)工藝參數,組成,Fe2B相的硬度一般為1300~1800HV,而每種工藝參數有2個(gè)試樣,共計96個(gè)試樣FeB相一般達到1600~2200HV,具有較高的耐磨1.1.2滲硼劑組成性,并具有良好的減摩作用,尤其抗磨粒磨損性能本實(shí)驗中使用的滲硼劑成分組成見(jiàn)表1要優(yōu)于滲碳和滲氮。但FeB相的脆性比較大表1滲硼劑組成所以?xún)上嗯鸹瘜拥拇嘈院蛣兟鋬A向比較大2,使供硼劑活化劑填充劑還原劑滲硼工藝的應用受到一定限制。硼砂氟鋁酸鈉碳化硅活性炭滲硼層的性能與很多因素有關(guān),如滲硼層過(guò)厚,會(huì )增加其脆性和剝落傾向。決定滲硼層厚度的1.2實(shí)驗過(guò)程與實(shí)驗方案主要工藝參數是滲硼溫度和時(shí)間,而含碳量和合金1.2.1不同碳含量鋼的滲硼元素含量不同的鋼,經(jīng)不同溫度和保溫時(shí)間滲硼后滲硼處理總體可分為4個(gè)階段:(1)配制滲硼的滲硼層厚度、硬度都有所不同。通過(guò)研究做出不劑;(2)試樣預處理;(3)試樣封裝;(4)試樣滲硼。同鋼種的滲硼層生長(cháng)動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)(滲硼層厚度與1.2.2試樣滲硼后的處理時(shí)間、溫度的關(guān)系)以及滲硼層等厚度圖,就可以(1)從坩堝中取出滲后的試樣,冷卻后打磨表通過(guò)設定的滲硼時(shí)間和溫度預測滲硼層的厚度,反面,鑲嵌。(2)將鑲嵌后的試樣先用水磨機粗磨之也可以根據確定的滲硼厚度調整滲硼時(shí)間和溫然廠(chǎng)中國煤心m#、60的金相砂紙進(jìn)度,這對工業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的指導意義行拋光機上用氧化鋁拋CNMHG收稿日期:2013-10-09作者簡(jiǎn)介:周旸(1991—),男,江蘇南京人,南京理工大學(xué)本科畢業(yè)生,學(xué)士,專(zhuān)業(yè)方向為金屬材料。792013年第42卷機械設計與制造工程光粉兌水進(jìn)行拋光。(4)將拋光后的樣品用4%硝圖2(a)、(b)分別為40Cr和40CrN經(jīng)910℃酸酒精輕輕擦試,再用清水沖洗并烘干。保溫7h后得到的滲硼層200倍的顯微組織。圖中白亮的滲硼層厚度分別為64.7um和61.8um,可2實(shí)驗結果與討論以發(fā)現,隨著(zhù)合金元素含量的增加,滲硼層的厚度2.1不同含碳量鋼滲硼層金相組織分析隨之減小。圖1(a)、(b)分別為40r和45Cr經(jīng)910℃保溫7h后得到的滲硼層200倍的顯微組織。金相照片下端為鑲嵌料,往上依次為白亮色的滲層、擴散層、顏色較暗的基體。白亮的滲硼層是垂直工件表面向基體生長(cháng),以齒狀楔入基體。圖中白亮的滲硼層厚度分別為64.7μm和70.1pm(a)40Cr鋼圖2不同含碳量鋼在910℃下保溫7h的顯微組織圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別為40鋼在850℃880℃C,910℃和940℃溫度下保溫h后得到的滲硼層200倍的顯微組織。由此可以明顯地觀(guān)察出:在相同的保溫時(shí)間下,滲層隨溫度的升高而加厚,可以解釋為隨著(zhù)溫度的升高,原子內能更大,更易向基體內擴圖1不同含碳量鋼在910℃下保溫7h的顯微組織散。其他鋼種在實(shí)驗觀(guān)察中也有類(lèi)似的規律。(a)850℃(b)880℃Y中國煤化工CNMHG(c)910℃圖340Cr鋼在4種不同溫度下保溫7h后得到的滲硼層顯微組織·802013年第11期周旸:Cr結構鋼滲硼動(dòng)力學(xué)的研究2.240r4GrN和45αr鋼滲硼層的顯微硬度分析溫度較低時(shí),滲硼劑來(lái)不及擴散,導致滲硼層偏薄,表2為3種鋼在不同溫度h滲硼下不同滲硼而隨溫度的增加,硼原子的自由能增加,所以滲層層深度的硬度,結果表明:隨著(zhù)保溫溫度的升高,較更厚。硬的滲層的厚度有增厚的趨勢,探其原因,可能是表3為3種鋼基體與滲層最大硬度對比,可表23種鋼滲硼層硬度隨深度和溫度變化的情況深度/μm880℃910℃940℃880℃910℃940℃880℃910℃940℃1303141312771048507285見(jiàn),最初的鋼材基體較為柔軟,硬度為285HVO.12.340Gr、40CrNi和45Cr鋼滲硼動(dòng)力學(xué)計算與分析左右,而滲層的最大硬度接近150HV0.1,鋼材的2.3.1溫度、時(shí)間對滲硼層厚度的影響機械性能有了明顯的提高。其原因可以解釋為滲圖5,6和7分別為溫度和時(shí)間與40Cr、40CNi層表面形成硬脆的Fe2B相,導致硬度改變。和45Cr鋼滲硼層厚度的關(guān)系圖,從圖可以看出,在表33種鋼基體與滲層硬度對比本實(shí)驗條件下,40Cr鋼滲硼層厚度在12~124μm鋼種滲層最大硬度基體硬度硬度上升值之間,40CrNi鋼滲硼層厚度在11~129μm之間/HV0.1/HV0.145Cr鋼滲硼層厚度在14~121μm之間40CrNI1444l157Cr 53K45CrOCr 1 183K1213KF-40CrNi 1 153K圖4為40Cr、40CrNi和45Cr鋼在880℃40CINI183K-+40CrNi 1 213K910℃和940℃下保溫7h得到的滲硼層的顯微硬45Cr1153K45Cr1183K度梯度。由圖4可知,3種鋼的滲層顯微硬度隨滲45Cr1213K硼溫度的變化遵循相同的規律,3種鋼在相同的保溫溫度下硬度大小差別不大,且都在接近表面3040μm處硬度最大。由表3可知,滲硼層表層硬度020406080100120140160180200深度/um大幅度高于機體硬度,是基體的4~5倍,同時(shí)隨著(zhù)圖43種鋼在880℃、910℃和940下保溫7h深度的增加硬度逐漸減小得到的滲硼層的顯微硬度梯度v1213K臥遜中國煤化工10000150002000025000300003500010000150002000025CNMH G 20000 25 000 30000 35 00圖5不同溫度與保溫時(shí)間下圖6不同溫度與保溫時(shí)間下圖7不同溫度與保溫時(shí)間下40Cr鋼滲硼層的厚度40CrNi鋼滲硼層的厚度45Cr鋼滲硼層的厚度8l·2013年第42卷機械設計與制造工程對某一種鋼來(lái)說(shuō),在相同保溫時(shí)間內,隨著(zhù)滲溫條件下,硼原子的擴散比較困難,擴散速率較小。硼溫度的升高,滲層厚度隨之增加;在相同滲硼溫2.3.240Cr、40CrN和45Cr鋼滲硼動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)度的條件下,隨著(zhù)保溫時(shí)間的增加,滲層厚度呈現根據3種鋼滲硼后的滲層厚度,用 Origin軟件增加趨勢。但是兩者基本為拋物線(xiàn)的關(guān)系,即,當分別作40Cr、40CrNi和45C鋼滲硼的d2~t關(guān)系滲層達到一定厚度時(shí),隨著(zhù)保溫時(shí)間繼續延長(cháng),滲圖,然后進(jìn)行線(xiàn)性擬合,再將擬合直線(xiàn)的斜率求出層厚度增加的速度隨時(shí)間的增加而減慢。即得到每個(gè)溫度下的滲層生長(cháng)速率常數,具體數值將3張圖一起看可以得知,低溫時(shí),要使滲層厚見(jiàn)表4。度達到一定值,比高溫時(shí)需要的時(shí)間長(cháng),這說(shuō)明,低由表4可知,任何一種鋼隨著(zhù)溫度升高,滲層表43種鋼不同溫度下的生長(cháng)速率常數鋼種生長(cháng)速率常數/(m2·s-1)Q/(kJ·molK123=0.52×10-13k1s=1.73×10-13k18s=2.74×10-13k1213=6.12×10-13242.9生長(cháng)速率常數增大,且溫度越高,相同溫度間隔內,更高,阻礙了硼原子向內擴散,阻礙滲層的生長(cháng)。生長(cháng)速率常數變化越大。綜合比較3種鋼的滲硼這里的計算結果與金相觀(guān)察的結果略有出人,究其生長(cháng)速率常數,在同一溫度條件下,40Cr鋼滲層生原因可能是在滲硼過(guò)程中加熱爐的升溫速率不同長(cháng)速率常數比40CrNi鋼的大,主要原因是后者含導致,不影響擴散激活能的計算有合金元素Ni,強烈阻礙硼原子向內擴散,阻礙滲利用表4中的數據,結合滲硼溫度,作兩種鋼層的生長(cháng);同時(shí)在同一溫度條件下,40Cr鋼滲層生滲硼的lnK~1/T關(guān)系圖,分別得到圖8,9和10長(cháng)速率常數比45Cr鋼的大主要原因是后者碳含量27827.8QR-292158QR-307914QR=3245130-256.0kJ'mol0-256.0kJ/mol=-288286百-2900.000820.000840.000880.00082000084T/k000860000800820.000840.000860.00088圖840Cr鋼滲硼的hK~1/T關(guān)系圖940CrNi鋼滲硼的lκ~1/T關(guān)系圖1045Cr鋼滲硼的lnK~1/T關(guān)系將圖8~10中擬合直線(xiàn)的斜率求出,即為調節工藝參數Q′R,從而可以求得擴散激活能Q值,結果見(jiàn)表表540Cr40CrNi和45C鋼滲硼層厚度4,40Cr、40CrNi和45Cr鋼滲硼的擴散激活能分別鋼種保溫時(shí)間滲層厚度/μm為242.9kJ/mol、256.0kJ/mol和269.6kJ/mol,由此h35850℃880℃910℃940℃可見(jiàn),前者的擴散激活能較小,更容易滲硼,這與以11.913.115.034.3往滲硼結果是相符的。21.628.438.772.1728,452.364.7106.4表5為3種鋼滲硼后的滲層厚度表,根據表5中數據,使用 Sigma軟件分別作出40Cr、40CrNi和10.715,419.149,345Cr鋼滲硼的溫度-時(shí)間-滲層厚度關(guān)系圖,即40CrNi20.136.939.875.761.8108.2為它們的等厚度曲線(xiàn),分別如圖11,12和13所示。H中國煤化工63.175.6128.9根據等厚度圖,一方面可以預測設定的滲硼時(shí)14.821.736.2CNMHG間和溫度可以得到的滲硼層厚度;另一方面可以從45 Cr68,70.1104.6既定的厚度值找到相應的滲硼時(shí)間和溫度,這對工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導作用,可以根據實(shí)際情況來(lái)2013年第11期周旸:Cr結構鋼滲硼動(dòng)力學(xué)的研究例如:想要對40Cr鋼進(jìn)行固體滲硼后得到根據確定的保溫時(shí)間和滲層厚度來(lái)估計需要的加60μm的滲硼層,根據圖11,如果確定加熱溫度為熱溫度亦如此。其他鋼種確定工藝參數的方法也90℃的情況下,需要保溫近πh;如果確定加熱溫相同,由此可見(jiàn),畫(huà)岀不同鋼種的滲硼層等厚度圖度為940℃的情況下,只需要保溫5h左右;反之,是具有很高價(jià)值的l180110保溫時(shí)間/h保溫時(shí)間/h保溫時(shí)間/h圖1140r鋼滲硼層等厚度曲線(xiàn)圖圖1240CmNi鋼滲硼層等厚度曲線(xiàn)圖圖1345(r鋼滲硼層等厚度曲線(xiàn)圖3結束語(yǔ)2005本文的實(shí)驗結果對改善生產(chǎn)工藝有著(zhù)積極的[3]B/T7709-2007滲硼層顯微組織、硬度及層深檢測方法影響,可以為提升實(shí)際生產(chǎn)效率提供理論依據,但[4]王掌忠材料科學(xué)基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005是由于實(shí)驗環(huán)境與真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的差異,如加熱爐的加熱速率的不同、滲硼劑均勻度的輕微不同,在[5]田旭.固體滲硼在石油機械中的應用[D].長(cháng)春:吉林大學(xué)實(shí)際生產(chǎn)中的情況可能會(huì )有細微不同,如得到某[6 Uslu I, Comert H, Ipek M. A comparison of borides formed on厚度滲層所需的時(shí)間與實(shí)驗中的不一樣,所以在應AISI 1040 and AISI P20 steels[J. Material Design, 2007, 281819-1826用文中結論時(shí)還需根據實(shí)際生產(chǎn)條件做細節上的[7]王秀娟,林銀,李文健,等,40C鋼滲硼動(dòng)力學(xué)研究[J].東北調整。大學(xué)學(xué)報,2012,33(S1):121-124[8 Campos 1, Oseguera J, Figueroa U, et al. Kinetic study of boron參考文獻:iffusion in the paste boriding process[ J]. Materials Scienceand Engineering, 2003. A352: 261-263]張黔,孫小華,李朝志低碳中鉻鋼滲碳層的耐磨粒磨損性9]sens,senU, Bindal c. An approach to kinetie study of borided能研究[J].熱加工工藝,2001(3):16-18steels[J]. Surf Coat Technology 2005, 191: 274-285[2]孫希泰.材料表面強化技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,Research on the boronization Dynamics of Cr Structure SteelZHOU YangNanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)Abstract: n this study, the 40Cr, 40CrNi and 45 Cr steels substrates were pack -borided at 850, 880, 910and940C for 3, 5, 7, and 9 h. The morphology formed on the surface of steel substrates were confirmed by opticalmicroscopy analysis. The characteristic sawtooth morphology of the boride layer is dominant. Boride layer thickness formed on the borided steels depending on process temperature, treatment time and element contents of thesubstrates. Also, we measure the microhardness of borides of different carbon -contents steels, and the peak microhardness is in the range from 1444hvo. 1 to 1490HVo. 1中國煤化工 growth kinetics, it dem-onstrates a parabolic relationship between layer thickness andCNMHGrate constant K increases with boriding temperature. Also, the activation energy for the process increases with the amount of elementcontents of the substrateKey words: Carbon Steels; Cr Contents; Solid Boronizaton; Kinetics; Activation Energy