灰铸铁渗硼后的组织与性能范文

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《金属热处理杂志》2015年第十一期

灰铸铁由于其良好的铸造性能、机械加工性能和低成本，使其广泛应用于发动机、机床、模具等生产领域，特别是玻璃模具，目前广泛采用铸铁制造。玻璃模具通常与1100℃以上熔融玻璃接触，并骤冷骤热，导致模具高温氧化和热疲劳;反复开模、合模过程，使其产生磨损。因此，性能优异的玻璃模具应具有较好的抗氧化、耐磨性能，但灰铸铁的抗高温氧化性能和高温耐磨性不佳，国内外通常使用合金铸铁、蠕墨铸铁等制造模具，这些材质的使用不但提高了模具成本，还降低了模具铸造、机加工、导热性能。已有研究表明，对铸铁表面进行渗硼后能提高其耐磨性能，但对渗硼工艺的研究并不深入，有关渗硼对抗氧化性的影响少有报道。本文对玻璃模具用灰口铸铁进行渗硼，研究了渗硼温度和时间对渗硼层厚度的影响，并探讨了渗硼对其耐磨性和抗氧化性的影响。

1试验材料及方法

1．1试验材料基体材料选用玻璃模具常用的灰铸铁，其化学成分如表1所示。渗硼试样尺寸为25mm×10mm×10mm，渗硼剂为商用固体颗粒渗硼剂。

1．2渗硼处理渗硼处理前，试样经200、400号砂纸打磨至表面平整光滑，经丙酮溶液清洗、电吹风干燥，等待装样。将渗硼剂在真空保温干燥箱中烘干10h，温度为100℃。渗硼容器为40mm×100mm坩埚，装样时，试样与坩埚壁及底部保持10mm以上距离，与上部保持20mm以上距离，完成后坩锅用耐火泥密封。将装样坩锅放入550℃的加热炉(DRZ-5-12型箱式电阻炉)中保温20min，避免耐火泥高温开裂。再将其随炉升温到850、900、950℃，透烧0．5h，分别保温2、4、6h，取出空冷到室温。

1．3渗硼层分析与性能测试使用ProgResCS光学显微镜和JSM-6460LV扫描电镜，观察渗硼层的组织形貌并测量其厚度，厚度根据平均法计算［12］。使用DX-2500X射线衍射仪(CuKα射线、35kV、20mA)分析渗硼层的物相组成。将渗硼及未渗硼的灰铸铁试样用FA2004N电子天平称量后，放入充分干燥的刚玉坩锅中。将坩锅放入850℃炉中加热72h后，随炉冷却至室温并称试样质量。用平均氧化增量速度作为抗高温氧化性能评价标准。使用HVS-1000型显微硬度计测量渗硼试样从表面到心部的硬度值，间隔距离为10μm，载荷为200g，保荷时间为15s。使用HSR-2M摩擦磨损试验机进行磨损试验，对磨试样为淬火处理的GCr15钢珠，加载载荷为50N，加载时间为10min，滚珠运动速度为200r/min。磨损试样使用NanoMap500LS表面轮廓仪测量其磨损体积，使用SEM观察磨损后的表面形貌，将磨损体积和磨损表面微观形貌作为耐磨性能评价标准。

2结果与分析

2．1渗硼工艺对渗层厚度影响图1为渗硼工艺对渗层厚度的影响图。由图1可知，渗层厚度随渗硼温度升高、渗硼时间延长而增加且渗层厚度随温度升高并非呈线性增加。由渗硼机理可知，渗层的形成有两种途径:一是活性硼原子直接扩散;一是硼的气态化合物与钢铁材料表面发生化学反应。研究表明，渗硼温度、渗硼时间和渗层厚度可以通过以下动力学方程表示。式中:ε为渗层厚度;τ为渗硼时间;T为渗硼热力学温度;R为气体常数;Q为扩散激活能;K0、Q取决于基体材料和渗硼剂常数。由动力学方程可见，在渗硼时间不变情况下，随着温度升高，渗层厚度增加。在渗硼温度不变的情况下，渗层厚度随时间变化呈抛物线型，故渗硼时间不能过长。

2．2渗层微观分析图2为950℃×4h工艺渗硼层形貌。从图2(a)渗硼层表面形貌看，渗层致密，较平整。从图2(b)截面形貌看，铸铁渗硼层是以针齿状的模式由内向外生长，渗层从外到内分别是:硼化物层、过渡区和基体。硼化物层呈针齿状并以长短不齐的方式楔入基体，与基体形成较强的结合。渗层中存在少量疏松，这是由于高温条件下材料在表面有较多的“空位”，空位在硼化物定向生长过程中被驱赶形成空洞。铸铁中因碳、硅含量较高，而这些元素不能溶于硼化铁中，在渗硼过程中它们扩散到基材中，富集在硼化层下，形成颗粒状的第二相，形成具有较高碳浓度的过渡区。图3为950℃×4h渗硼试样渗层表面X衍射分析的结果。结果表明，渗硼层主要由Fe2B组成，没有出现脆硬的FeB相。主要是试验所用渗硼剂为单相渗硼剂，渗层中硼向基体扩散会使表层硼浓度降低，从而使FeB相转化为Fe2B相。Fe2B相硬度可达1300～1800HV0．2，具有较好耐蚀、耐磨及抗高温氧化性能。

2．3性能测试结果及分析

2．3．1硬度及磨损性能测试图4为渗硼层硬度随层深变化情况。结果表明，渗硼试样表面硬度最高，达到1253HV0．2。从渗硼层经过渡区至基体，显微硬度逐渐减小，由于过渡区中富碳，存在较多的第二相，使渗层硬度变化较平缓。图5(a)为灰铸铁试样和渗硼试样磨损体积对比，由图可知，渗硼后铸铁表面的耐磨性提高1．50倍。图5(b，c)为两种试样的SEM磨损形貌。通过观察可知，灰铸铁磨损表面有典型的组织撕裂现象，属于粘着磨损，而渗硼试样表面较光滑，没有明显的磨损痕迹。这主要是因为灰铸铁材料较软，在遇到硬质的磨粒时易发生粘着，导致材料表面撕裂剥落;而渗硼后的试样硬度高，因而抗磨粒磨损性好。此外，渗硼层致密且与基体嵌合，也使其具有更高的耐磨性。

2．3．2抗氧化性测试图6(a，b)为渗硼处理前后灰铸铁试样经高温氧化后的表面宏观形貌，可见，未经处理的灰铸铁表面脱落严重，经950℃×4h渗硼的试样表面无明显氧化。对渗硼处理前后灰铸铁试样平均氧化速率计算，结果见图6(c)，可见，灰铸铁经渗硼处理后，平均氧化速率降低，其抗氧化能力显著增强。本试验条件下，灰铸铁渗硼处理后抗氧化性能提高3．19倍。文献［17］认为，700℃以下时，铸铁中只有铁会被氧化;温度接近700℃时，则会发生石墨的氧化，此时铁也被氧化;工作温度超过700℃时，则主要发生的是石墨的氧化，石墨氧化的产物CO和CO2又将与铁发生反应，进一步促进铸铁的氧化。灰铸铁经渗硼处理后表面形成了连续致密的硼化铁，硼化铁对氧化性气体起到了阻碍作用，降低了氧化性气体进入基体的可能性;高温条件下，铸铁表层形成的硼铁化合物能和氧反应生成B2O3，使氧化过程停止或降低到极其缓慢的程度，大大提高了试样高温抗氧化性能。

3结论

1)灰铸铁经固体渗硼后，其渗硼层由Fe2B单相组成;渗硼层呈针齿状嵌入基体。渗硼层的厚度随着渗硼温度的升高和渗硼时间的延长而增加。2)灰铸铁经渗硼后显微硬度可达1253HV0．2，其耐磨性和抗氧化性显著提高，分别是灰铸铁的1．50倍和4．19倍。

作者：叶宏 喻文新 闫忠琳 单位：重庆理工大学 材料科学与工程学院 重庆理工大学 工程训练与经管实验中心