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稀土元素对材料渗硼层表面硬度的影响
论文类别:专家论文
作 者:佚名
所在地区:稀土元素对材料渗硼层表面硬度的影响
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摘 要:
    摘要:为了研究稀土元素对渗硼层的影响,对20CrMnTi钢进行了不同工艺的渗硼试验。分析了稀土元素对渗硼层的组织以及表面硬度的影响。结果表明:稀土的加入使渗硼层更厚,组织更加均匀。对于单独渗硼工艺,加入稀土后,FeB相消失,试样表面整体硬度降低;而对于碳硼复合渗,稀土的加入使Fe2B相晶粒取向性更为明显,试样表面整体硬度略有升高。
    关键词:稀土元素;20CrMnTi;渗硼
    渗硼技术由于在零件表面形成的硼化物硬度较高,能有效提高钢件表面硬度和耐磨性而受到众多学者的关注[1-2],但硼化物层脆性大、渗层薄和渗层硬度梯度太陡的缺点也很明显,这就对稀土复合渗硼技术的研究水平提出了更高要求[3]。稀土元素具有特殊的电子结构和化学活性,在渗剂中加入适量的稀土元素对渗硼有一定的催渗作用并且能改变工件表面的成分、组织,以提高渗层的力学性能[4-5]。本文以20CrMnTi为研究对象,在不同的渗剂(单一渗剂,复合渗剂)、相同的热处理条件下研究La2O3对材料表面渗硼层显微组织、物相以及表面硬度的影响。
    1试验材料与方法
    试验所用材料为20CrMnTi钢,试样尺寸为15mm×15mm×6mm,样品在化学热处理前均由砂纸打磨到表面光亮并逐一进行超声清洗。试验所用渗剂均为目前市场上常用的商用渗剂,渗罐选用尺寸为准60mm×90mm的不锈钢渗罐。化学热处理过程在SX2-4-10型箱式电阻炉中进行,具体的渗剂构成及热处理工艺参数如表1所示。用蔡司金相显微镜和S-3000N型扫描电镜对各组试样表面的渗硼层组织形貌进行观察;用HVS-1000CCD型显微硬度计测试渗硼层的显微硬度,载荷200g,加载时间10s;利用X射线衍射仪对各组试样的渗硼层进行物相分析。
    2试验结果与分析
    2.1显微组织分析图1为添加稀土La2O3前后不同渗硼工艺下的渗层组织形貌。由图1(a)、(b)可看出,对于单独渗硼工艺,渗层形貌都呈现出内部尖端为锯齿状的典型特征;但添加稀土La2O3后渗层的厚度明显增加,硼齿插入基体更深,与基体结合更好,且渗硼层更为均匀,里层基体为细片状珠光体及白色呈网状分布的铁素体;另外,表层渗硼时把碳推向里层,同时硼有抑制铁素体从奥氏体析出的倾向,尽管增碳区未达到共析碳浓度,空冷后仍为均匀的珠光体。而对于碳硼复合渗,如图1(c)、(d)可看出,加入稀土La2O3之后渗硼层的厚度明显增加,增幅达20μm,而且加入La2O3后渗硼层与渗碳层的结合也更加致密。图2为不同工艺下的试样扫描电镜照片。对比图2(a)、(b)可知,加入稀土La2O3前后渗层深度及与基体的结合方式基本相同,均为针形锲入方式。但图2(a)中的渗层表面有许多微小的孔洞,且分布范围较广,而加入5%La2O3后这些孔洞消失,而且加入5%La2O3后硼齿更为均匀,与基体结合更好。由此可说明,La2O3的加入提高了渗硼层的整体质量。图2(c)、(d)为加入稀土La2O3前后碳硼复合渗渗层的微观组织。可见,碳硼复合渗下的渗层相比单独渗硼要明显的均匀、致密,结合方式也要更优。同时,La2O3的加入促使了复合渗层深入基体的深度明显增加。2.2XRD分析图3为不同渗硼工艺下渗硼层的X射线衍射图。对比图3(a)、(b)可知,未加稀土La2O3前渗层中主要由FeB相和Fe2B相组成,而加入稀土后FeB相消失,由此可推断,稀土元素La的加入使渗层的成分更加均匀一致。而对于碳硼复合渗的渗硼层,如图3(c)、(d)所示,加入稀土前后渗层中的物相成分未发生明显变化,均为单一的Fe2B相,但稀土La2O3的加入使Fe2B相晶粒取向性更为明显。2.3显微硬度测试图4为各组试样经不同渗硼工艺下的表面硬度。可看出,对于单独渗硼工艺,加入稀土La2O3后试样的显微硬度有了显著降低。这是因为稀土的加入使渗层组织由原来的Fe2B和FeB双相变为Fe2B单相,由于FeB相属于硬脆相,显微硬度高达1890~2340HV,故该相的消失促使了试样表面整体硬度的降低。而对于碳硼复合渗渗层,稀土La2O3的加入使试样的表面硬度略有升高,变化不是很明显。
    3结论
    (1)稀土元素的加入可有效提高材料表面渗硼层的厚度。同时,加入稀土后,渗硼层硼齿插入基体更深,与基体结合更好,组织更加均匀。(2)对于单独渗硼工艺,加入稀土后渗层组织由原来的Fe2B和FeB双相变为Fe2B单相,试样表面硬度明显降低;而对于碳硼复合渗,稀土的加入使Fe2B相晶粒取向性更为明显,材料表面硬度略有提高。
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