碳素結構鋼表層熱擴散B 4C復合表面處理的工藝研究

2016-01-14 03:33:04劉少飛,林濤,陳華斌

建材世界 2015年4期

碳素結構鋼表層熱擴散B4C復合表面處理的工藝研究

劉少飛，林濤，陳華斌

(上海交通大學材料科學與工程學院, 上海 200240)

摘要：研究采用復合工藝，先對低碳鋼試樣進行噴丸處理，實現表面納米化，然后再進行固體粉末法滲硼。實驗結果表明，噴丸處理可顯著降低滲硼溫度和保溫時間，同等工藝條件下，噴丸處理也能增加滲層厚度；同時，噴丸處理可以改善滲層和基體的組織結構，減少缺陷，使組織均勻、致密。

關鍵詞：低碳鋼；表面納米化；滲硼

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.013

Abstract:This study adopts composite technology, first on the low carbon steel specimen shot peening treatment, surface nanocrystallization, and then the solid powder boronizing.Experimental results show that the shot peening treatment can significantly reduce the boronizing temperature and holding time.Under the same conditions, shot peening can also increase the thickness of carburized layer. At the same time, shot peening can improve diffusion layer and base material organization structure, reduce defects, uniform and compact structure.

收稿日期：2015-05-10.

作者簡介：劉少飛(1983-)，助理工程師.E-mail:liushaofei2003@hotmail.com

Technology Research on the Process of B4C Composite

Treatment of Surface Heat Diffusion in Carbon Structural Steel

LIUShao-fei，LINTao，CHENHua-bin

(School of Materials Science and Engineering，Shanghai JiaoTong University,Shanghai 200240，China)

Key words:low carbon steel；surface nanocrystallization；boriding

在工程實際應用中，材料的失效多發生在材料的表面，如材料的疲勞、腐蝕和磨損對材料表面的結構和性能極其敏感，所以材料表面的結構和性能直接影響工程金屬材料的綜合性能指標。由于碳素結構鋼Q235硬度低，耐磨性差，對其進行表面處理尤為重要。由于表面納米化可以降低熱擴散的溫度和時間，可以預測的是將Q235表面納米化與熱擴散法結合起來可以避免單純擴散法的缺點，取得良好效果，可以豐富碳素結構鋼的表面處理工藝。

該課題主要研究碳素結構鋼Q235納米化表層熱擴散B4C復合表面處理工藝，首先利用高能噴丸技術對Q235鋼進行表面自身納米化處理，然后進行不同工藝的熱擴散滲硼，通過對比處理前后試樣的組織及硬度變化，研究表面納米化對熱擴散滲硼的影響。

1試驗

1.1　材料

試樣選用厚度為3 mm的Q235低碳鋼板，滲劑主要配料如下：

碳化硼(Boron carbide)化學純分子式：B4C

氟硼酸鉀 (Polussium fluoborate) 分析純分子式：KBF4

氯化銨 (Ammonium chloride)分析純分子式：NH4Cl

此外也包括：三氧化二鋁納米粉，Kroll試劑(10%HNO3、5%HF、85%蒸餾水)，4%硝酸酒精，無水乙醇，丙酮，粘土，改性水玻璃，石英砂，石棉，30 mL瓷坩堝。

1.2　設備

1)噴丸用履帶式拋丸機型號：QPL-30;

2)熱擴散用管式電阻爐型號：SK2-4-12。

1.3　過程

1.3.1表面納米化處理

此試驗采用工業常用的噴丸方法實現表面納米化。將100 mm×100 mm Q235碳素結構鋼板用砂紙打磨進行表面除銹，然后用履帶式拋丸機進行不同時間拋丸處理。

噴丸選用的彈丸為Φ1 mm的鉻鉬鋼丸，噴丸速度為45 m/s，處理時間分別為3 min和60 min。為減少變形，其中60 min噴丸處理的鋼板先在所選表面的反面進行15 min預噴丸。

1.3.2熱擴散滲硼

1)試樣準備將原始(未噴丸)Q235低碳鋼板、噴丸3 min板與噴丸60 min板通過線切割制成10 mm×10 mm的小塊，然后分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗10 min，去掉表面油污，用電吹風吹干，裝袋備用。

2)滲硼過程其處理步驟為：配料→藥品烘干→清洗試樣→試樣封裝→熱擴散滲硼→出爐清理。

(1)藥品配比：本試驗采用的滲硼劑配方為碳化硼50%，三氧化二鋁43%，氟硼酸鉀3%，氯化銨4%，每個坩堝加入藥品量為4 g。

(2)藥品烘干：因為碳化硼吸水性很強，水份的存在能破壞試驗中硼原子的生成，影響滲層性能，所以必須予以排除。

(3)清洗試樣：在密封前用Kroll試劑清除試樣表面鐵銹，然后用無水乙醇清洗干凈，用電吹風吹干。

(4)密封試樣：因為滲硼過程大多數是氣相反應，要在封閉環境下進行，所以密封試樣是試驗的關鍵。將試樣放入陶瓷坩堝，用密封泥密封后放入熱處理爐。

(5)滲硼工藝：一般滲硼溫度在850～1 000 ℃之間，滲硼保溫時間需要2～6 h。試驗以滲硼溫度為主線，保溫時間趨近于下限選3 h，分別做4組：950 ℃×3 h、850 ℃×3 h、800 ℃×3 h、750 ℃×3 h。然后，增加處理時間做對比試驗750 ℃×6 h，一共做五組。用SK2-4-12型管式電阻爐按上述工藝處理。

(6)出爐清理：保溫結束以后將坩堝從管式爐中取出，空冷。清理試樣表面粘著的滲劑，裝袋并做好標記準備金相觀察。

1.4　組織性能測試

1.4.1金相組織觀察

試樣用造牙樹脂鑲嵌在塑料管中，凝固后，用砂輪機打磨，磨掉橫截面滲層；再分別用240～2 000#耐水砂紙進行粗磨、細磨，接著用拋光機機械拋光；最后用4%的硝酸酒精腐蝕，腐蝕溫度：10～30 ℃，腐蝕時間10 s 。金相觀察在Polyvar-Met型光學顯微鏡上進行。

1.4.2掃描電鏡分析(SEM)

用JSM-6360LV掃描電鏡分析方法(SEM)分別對原始試樣和噴丸后試樣的滲層橫截面的微觀組織以及表面形貌特征進行細致觀察。

2試驗結果與分析

2.1　Q235典型滲硼層橫截面形貌

圖1為Q235噴丸3 min試樣950 ℃×3 h滲硼后滲層掃描電鏡觀察照片，表面深灰色層為滲硼層，有較多孔洞，向里逐漸減少。組織為單相Fe2B，垂直于試樣表面擇優生長，呈鋸齒狀向基體楔入，層厚約為142.8 μm。在Fe2B針之間及前沿存在有一定量顏色比硼化物深，呈長島狀的夾縫組織。次表面為過渡增碳區，組織為珠光體和少量Fe2B，逐漸向心部過渡，里層的基體為低碳馬氏體這是因為950 ℃出爐空冷淬火。

2.2　不同保溫時間的滲硼層形貌

如圖2所示，滲硼溫度保持750 ℃不變時，原始件保溫3 h沒有滲層，保溫6 h滲層約厚82.9 μm；噴丸3 min試樣保溫3 h滲層厚度為57.0 μm，保溫6 h滲層約厚107.0 μm；噴丸1 h試樣保溫3 h滲層厚度為75.1 μm，增加保溫時間到6 h滲層厚度增加到129.0 μm。這說明滲硼處理的保溫時間的增加使滲層厚度增加。

從耐磨性能的要求來說，對滲層的厚度宜選用在70～150 μm之間；保溫時間也不能過長，否則滲層過厚反而使滲層脆性增加，滲層與基體的結合的牢固程度減弱，同時還會增加生產成本。所以，對滲硼時間的選擇，一般按不同的滲硼溫度選取適當的保溫時間，以達到所需要的滲層厚度即可。

2.3　不同噴丸工藝的滲硼層形貌

依照圖3～圖5所示，五組滲硼試樣滲層厚度見表1。

表1　滲硼試樣滲層厚度　/μm

950 ℃滲硼3 h，噴丸1 h試樣滲層比噴丸3 min件增厚77.7 μm，比原始件增厚68.9 μm；850 ℃滲硼3 h時，噴丸1 h試樣滲層比噴丸3 min件增厚26.9 μm，比原始件增厚97.7 μm；800 ℃滲硼3 h時，噴丸1 h試樣滲層比噴丸3 min件增厚5.3 μm，比原始件增厚47.6 μm；750 ℃滲硼6 h時，噴丸1 h試樣滲層比噴丸3 min件增厚22 μm，比原始件增厚46.1 μm；750 ℃滲硼3 h時，噴丸1 h試樣滲層比噴丸3 min件增厚18.1 μm，比原始件增厚75.1 μm。