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《 表面工程学概论》
调研报告
报告题目：渗硼技术的发展以及在模具上的应用
作者所在系部： 材料工程系
作者所在专业： 材料成型及控制工程 作者所在班级： B10812 作 者 组别 ： 第四组 作 者 姓名 ： 周超
完 成 时 间 ： 2013.10.6
渗硼技术的发展现状以及在模具上的应用
摘要
行研究与应用，主要是对液体渗硼和固体粉末渗硼技术进行渗硼剂、渗硼工艺、渗硼原理及渗硼层组织与性能的开发研究工作。国外以日本为代表的液体渗硼的研究，以德国为代表的固体粉末渗硼技术的研究都取得了成功。
我国大量开展渗硼技术的研究始于20世纪70年代后期，主要从事液体渗硼研究与应用，同时对固体粉末渗硼进行了工艺试验。1977年7月在江西省新余县召开了“全国渗硼技术座谈会”，实际为全国首届渗硼技术学术交流会。这次会议对渗硼技术的研究与应用起到了极大的推动作用，渗硼技术得到了国内科研机构与大专院校热处理工作者的空前关注，纷纷开展此项研究和开发应用，发表了大量的学术论文。此后，又由中国热处理学会先后多次在天津、蓬莱、长沙、武汉等地组织召开了全国渗硼技术学术会议。
渗硼技术的发展也推动了渗金属技术的开发与研究。1987年中国热处理学会成立了“全国渗硼渗金属技术委员会”，使渗硼技术的开发与应用得以迅速发展，达到了国际先进水平。
我们较全面系统地对液体渗硼、固体渗硼技术进行了研究与应用。20世纪90年代以后，我们对渗硼技术由理论研究转向生产应用开发。主要解决渗剂的优选、工艺的简化、消除污染和降低成本，以适应工业生产的需求；同时，开展了大量非模具零件的渗硼研究。我们对出口德国的纺织机械配件导板进行了渗硼处理，使之通过了德国的技术验收标准，累计出口近万件。
20世纪中期国内国内外开始对渗硼技术进
关键词：渗硼技术、液体渗硼、固体渗硼
一、渗硼理论的研究概况
主要通过大量的试验与测试分析从两个方面探讨了渗硼理论：一是渗硼过程中产生活性硼原子的化学、热力学反应；二是形成硼化物的金属学理论。
1.1 渗硼过程中的化学反应
通过国内外大量研究，已基本上明了了钢铁渗硼过程中的化学反应。现将
盐浴渗硼、固体渗硼、气体渗硼有关化学反应简要介绍如下：
1.1.1 盐浴渗硼化学反应
盐浴渗硼普遍采用的供硼剂以硼砂为主，碳化硅、铝粉等为还原剂，其基本的化学反应如下：
(1)硼砂浴中加碳化硅的反应： Na2B4O7+2SiC===Na2O.2SiO2+4[B]+2CO (2)硼砂浴中加铝粉的反应： Na2B4O7十4A1===Na20+2A1203+4[B]
上述二式中的[B]为活性硼原子，可以渗入钢中。
1.1.2 固体渗硼化学反应
固体渗硼普遍采用的供硼剂有两种，一种是碳化硼，一种是硼铁。为还原出硼原子，在渗剂中均添加氟硼酸钾作为活化剂，其化学反应如下：
(1)碳化硼、氟硼酸钾渗剂的反应： 2KBF4+B4C+02===K20+4BF2+2[B]+CO
其中的BF2为不稳定气体，经分解析出硼原子而形成稳定的BF3气体：3BF2=[B]+2BF3
(2)硼铁、氟硼酸钾渗剂的反应： 4KBF4+4B+O2===2K2O+8BF2
其中的BF2发生分解而析出硼原子。
1.1.3 气体渗硼化学反应
气体渗硼主要采用两种气氛，一种是三氯化硼，一种是乙硼烷，其渗硼化学反应如下：
(1)三氯化硼气体渗硼化学反应： 2HCl3+5Fe===2FeB+3FeCl2 (2)乙硼烷气体渗硼化学反应：
B2H6===2[B]+3H2
上述渗硼气体均由氢气作载体。
1.2 硼化物形成机理
各种渗硼工艺中渗硼温度均在850℃以上，在热状态下硼化物的形成原理是学术界曾深入研究的重要内容，也是探讨渗硼过程中的金属学原理的研究内容，经大量研究已基本搞清了硼化物的形成机制及过渡区形成原理，现简要介绍如下：
1.2.1 硼在钢中的扩散特点
由铁硼二元相图可知，硼在钢中的溶解度极低，它在不同温度下可与钢形成8、7和a固溶体，其最大溶解度不超过0．02％，它在7铁中可形成置换式 和间隙式两种固溶体。硼在钢中的扩散速度远远低于碳和氮。在渗硼过程中，通过渗剂的化学反应会产生大量的硼原子渗入钢中，当含硼量达到8.84%时，硼和铁形成Fe2B。含硼量达到16.23％时．形成FeB。Fe2B和FeB均为稳定化合物，其熔点分别为1389℃和1550℃，硬度分别为1200—1680HV和1890一2340HV。
1.2.2 硼化物组织形态及形成过程
在渗硼过程中，钢中的铁与硼形成两种硼化物，其组织形态均为锯齿形，由钢铁表面楔人基体与基体牢固结合。
铁的硼化物的形态还受钢的成分的影响。在碳素钢中，随着台碳量的增加其齿状特征由尖变钝。在合金钢中，除碳的影响外，随合金元素的含量增加也使硼化物由锯齿状变为舌状或平坦状。其原理在于钢中的碳及合金元素均阻碍硼的扩散，关于硼化物的形成过程，国内外学者通过大量研究提出了不少观点，大致可归纳如下：
（1) 固溶体、硼化物观点
渗硼时活性硼原子吸附在钢铁表面并向内部扩散，首先形成固溶体。当浓度超过固溶体的溶解度时硼化物新相开始形成与长大。当含硼量达到8％以上时形成Fe2B，在硼的扩散速度较快的情况下形成单相Fe2B，当含硼量达到16％以上时，则形成FeB。
（2) 碳硼化台物、硼化物观点
渗硼时除形成固溶体外，在渗硼开始阶段由于硼的扩散首先沿晶界进行，在形成硼化物前，硼又容易置换Fe3C中的c而首先形成Fe3(C,B)，经较长时间渗硼后再形成FeB。
（3) 碳硼化合物、FeB、FeB同时生核观点
人们通过对渗硼层x射线衍射、显微硬度测定和对渗硼层中各相的化学着色
等试验后认为，渗硼开始时，在钢的表面便形成FeB、Fe2B和Fe3(C,B)晶核。如果渗剂活性强、温度高，使硼原子供应充足时，就会形成以FeB为主的渗层，当渗层向钢中扩展到某一深度，硼的浓度下降到16％以下时，Fe2B开始长大，直到硼的浓度下降到不能使其继续生长为止。由于钢中含碳量的限制，Fe3(C,B)相在硼化物中难以长大而是呈弥散度很高的粒状分布于硼化物中，只有在硼浓度很低的过渡区中，它才能得到一定的发展，在硼化物的末端形成较大的块状或须状的Fe3(C,B)。
（4) 硼化物成长过程
关于硼化物形态呈现齿状的原理，经大量的x射线和透射电镜分析后认为：当Fe2B晶核形成后，出现强烈的择优生长的特征。这是因为Fe2B为正方晶格，经x射线测定，硼是沿着Fe2B的[001]晶向向内扩散而使其不断长大的，而[001]晶向是与钢的表面相垂直的方向，由于其“扩散通道”与硼化物生成方向一致，从而便形成齿状。经过对单个舌状硼化物二次碳复型透射电镜照片的分析，在一万倍下，舌状硼化物有“年轮”一样的花纹，这是由渗硼过程中的硼浓度起伏所造成的。
二、渗硼工艺的研究
渗硼工艺虽然有三种，但目前国内外多普遍采用固体渗硼。这是因为固体渗硼与其它渗硼工艺相比具有许多优点。特别是粉末渗硼工艺，它具有不需要特殊设备，采用普通电、气、煤加热炉均可，工艺操作简单、渗后工件不需清洗、渗剂重复使用性好、成本较低和渗层厚度与组织易控制等优点。
2.1 渗硼剂的选用
固体渗硼剂的主要成分为碳化硼、硼铁、硼砂、氟硼酸钾、碳化硅等，它由供硼剂、活化剂和填充剂组成。固体渗剂目前有粉状和粒状两种，另外还有膏状渗硼剂。在国内市场上这些渗剂均可购到。
经过近20年的研究与生产应用，我们认为我们研制的粉末渗剂较为理想。它最大的特点是能实现洁净渗硼，工件渗后表面呈银灰色，不粘附，不需要任何清洗，同时渗剂活性好，渗层厚度、组织均可调控，工人劳动强度低，渗剂可重复使用，渗硼成本低。现在市场上也有一种价廉的粒状渗硼剂，其最大的缺点是重复使用性差和渗荆粘在工件上不易清除、这类渗剂使用的供硼剂是价廉的硼砂，我们使用的是较昂贵的碳化硼。