高碳鋼滲硼層硼化物價電子層次分析

趙志偉　關博文

【摘 要】本文應用“固體與分子經驗電子理論”從價電子層次分析了滲硼層硼化物FeB、Fe2B的結構特征，并使用BLD（鍵距差法）計算了FeB、Fe2B的n′α及E′α值，經過分析解釋了FeB及Fe2B的脆性原因，以及滲硼過程中組織形成Fe2B和FeB的電子層次機理。

【關鍵詞】FeB；Fe2B；EET；滲硼；價電子

0 前言

滲硼工藝可以使鋼鐵零件獲得很高的表面硬度、優良的耐摩性和耐腐蝕性能、抗高溫氧化性和較高的疲勞強度等，而廣泛的應用于拉絲模 、鍛模、穿孔針、 油泵、注塞 件、閥門等機件上[1]。多年來，人們對滲硼層硼化物進行了大量的研究工作[2]，一般的，滲硼層有單相（Fe2B）或雙相（FeB+Fe2B）。通常，人們希望得到鋸齒狀的Fe2B單相硼化物，這是因為硼含量為16.23%的FeB（斜方晶體）比硼含量為8.8%的Fe2B（四方晶體）更脆，并且由于FeB和Fe2B的熱膨脹系數不同，當載荷較大時容易在FeB/Fe2B的界面產生裂紋，造成表面滲層的剝落。而滲硼層中各相的形成主要取決于滲硼溫度及時間，如果硼化劑的活性較高，滲硼的時間足夠長，將在Fe2B層的外側形成含硼量更高的FeB化合物，滲層脆性增加。但如果滲硼時間過短，只形成Fe2B，會造成滲層厚度不夠，也會影響零件的耐磨性能和機械性能。因此，需要合理的控制熱處理工藝，來實現雙相FeB（少量）+Fe2B的滲層組織[3]。

本文依據固體與分子經驗電子理論，計算了FeB和Fe2B的晶體結構模型，從價電子的角度分析滲硼層硼化物的脆性本質，為更好的進行工藝設計提供依據。

1 滲硼層組織相結構參數

1.1 FeB晶胞模型

2 計算結果及分析

但是Fe2B中最強鍵與第二鍵的E′值所差無幾，可以近似認為兩鍵成鍵能力相同，這將加大Fe2B的整體形成能力，加快Fe2B的形成速度及數量。使得Fe2B先于FeB形成，而隨著滲硼時間的繼續，組織中將形成FeB。這也正好說明了滲硼過程中，硼層組織中存在少量的FeB以及大量的Fe2B組織。

3 結論

3.1 滲硼層硼化物的組織脆性主要由于晶胞中存在較大的n′落差梯度，容易造成應力過于集中，導致結構破裂，宏觀表現為組織脆性。

3.2 滲硼層中主要存在大量的Fe2B是因為其成鍵能力遠高于FeB，加快了Fe2B的成鍵速度，因此組織中主要為Fe2B。

【參考文獻】

[1]王克武.45#碳鋼滲硼工藝及性能研究[J].四川輕化工學院學報.1997；10（2）：39-44.

[2]李木森，傅紹麗，徐萬東，等.Fe2B相價電子結構及其本質脆性[J].金屬學報.1995；31（5）：201-207.

[3]]慕東，王渠東，沈保羅.滲硼對鋼鐵表面組織與性能影響的研究現狀[J].材料導報，2009（7）：42-44.

[4]劉志林，林成.合金電子結構參數統計值及合金力學性能計算[M].北京：冶金工業出版社，2007：15-16，159-181.

[5]劉志林，李志林，劉偉東.界面電子結構與界面性能[M].北京：科學出版社，2002：14-19.

[6]張瑞林.固體與分子經驗電子理論[M].長春：吉林科學技術出版社，1993：272-273.

[責任編輯：王偉平]