共渗和复合渗的影响及机理分析

渗硼的最大缺点是渗层的脆性较高，渗硅的最大优点是提高抗高温氧化性能。为了扩大渗硼、渗硅的应用范围，发展了许多共渗和复合渗。

1.硼硅共渗

硼硅共渗主要用于提高材料的耐磨性，同时也提高耐热性和耐蚀性。在硼硅共渗的渗剂中，硼、硅的配比不同，渗层的组织也不同。通过调整渗剂中硼、硅的配比，可得到不同性能的渗层。

硼硅共渗层深度随着保温温度、时间的提高而增加，随着渗剂中渗硅剂的增加而减少。

硼硅共渗层中，硅含量的提高，耐磨性的提高存在峰值，即渗层中硅含量有最佳含量。表8-24是钢粉末硼硅共渗时共渗剂成分对渗层深度和耐磨性的影响。

表8-24 钢粉末硼硅共渗时共渗剂成分对渗层深度和相对耐磨性的影响

硼硅共渗层中，硅含量的提高，耐蚀性提高。表8-25列出了20钢电解渗硅时，共渗剂的成分和共渗温度对渗层深度、渗层硼化物相对含量以及耐蚀性的影响数据。

表8-25 20钢电解硼硅共渗工艺与渗层的耐蚀性

2.硼与金属共渗

大量的研究表明，硼能与许多金属实现共渗，以达到提高硬度、降低脆性等目的。表8-26是硼与一些金属的共渗配方，其复合渗层的深度和硬度分布分别见图8-17和图8-18。目前研究和应用较多是硼铝、硼硅、硼铬共渗。

表8-26 硼与一些金属的共渗配方

① 混合粉的化学成分（质量分数）：48.5%Cr+48.5%Al₂O₃+3%NH₄Cl。

图8-17 950℃×3.5h复合渗层的深度

图8-18 复合渗层的硬度

1—B 2—B-Cr 3—B-Ti 4—B-Cr-Ti 5—B-Ni

（1）硼铝共渗 钢铁材料和镍基、钴基合金硼铝共渗的主要目的是改善渗层脆性，提高材料表面的耐磨性和耐热性。表8-27中最上四行的渗剂相同，但配比不同，硼铝共渗的渗层组织不同。这说明活性硼原子和活性铝原子的比例不同，渗层的组织不同，调整渗剂中硼、铝的比例，可得到不同性能的渗层。

表8-27是常用的硼铝共渗剂与处理工艺。在硼铝共渗中，随着温度、时间的增加，钢中碳含量的减低，渗层深度增加。

表8-27 常用的硼铝共渗剂与处理工艺

硼铝共渗层的性能，如硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、抗剥落性能、抗热疲劳性，都与单一渗硼层不一样。硼铝共渗层的硬度由渗层组织决定。图8-19的曲线显示，随着渗剂中三氧化二铝的含量提高，渗层中铝含量将提高，表面硬度下降。

硼铝共渗层具有比单一渗硼层更好的抗剥落性能、抗氧化性、抗冷热疲劳性，表8-28是两者的比较。

图8-19 45钢在不同渗剂中硼铝共渗后硬度的分布

1—Na₂B₄O₇ 2—Na₂B₄O₇+Al₂O₃（≤10%） 3—Na₂B₄O₇+Al₂O₃（≤20%）

硼铝共渗层的硬度、抗剥落性能、抗氧化性、抗热疲劳性的数据表明，硼铝共渗层具有渗硼层和渗铝层的综合性能。45钢齿轮坯和压轮坯的热锻模（5CrMnMo钢）在工作中受热冲击和冷热疲劳的影响，虽经渗硼处理，但使用寿命仍不高，其失效形式为工作面变形和磨损。硼铝共渗具有比渗硼更高的抗氧化性和抗冷热疲劳性。在硼砂、氧化铝、硅铁、氟盐组成的熔盐中，经900℃×4h进行硼铝共渗，热锻模使用寿命提高1倍左右（见表8-29）。

表8-28 900℃×4h硼铝共渗与渗硼的抗氧化性和抗冷热疲劳性比较

(www.xing528.com)

① 处理方法为750℃×10min+水冷的循环处理。

表8-29 渗硼、硼铝共渗的热锻模使用寿命对比 （单位：件）

（2）硼铬、硼钒共渗 硼铬、硼钒共渗的主要目的是改善渗层脆性，提高渗层的耐蚀性和抗高温氧化能力。由于硼、铬以及硼、钒原子的扩散能力相差较大，与硼铝共渗不同，虽然渗剂中硼、铬或硼、钒比例变化，渗层组织也会变化，但两者的可调节比例较小。硼铬、硼钒共渗剂与处理工艺见表8-30。

表8-30 硼铬、硼矾共渗剂与处理工艺

硼铬、硼钒共渗提高了表面硬度，改善了渗层的脆性，提高了渗层的耐磨性、脆性、耐蚀性、抗氧化性等性能，表8-31列出45钢、T10硼铬共渗与单一渗硼的比较数据。模具的盐浴稀土钒硼共渗可得到组织形态与网相似的共渗层，渗层深度比渗钒深且致密，较之渗硼层有更高的硬度和更好耐磨性、较低的脆性。盐浴稀土钒硼共渗层由表至里主要组成相为VC，（Fe，Cr）2B，Fe₂B+少量FeB。模具经稀土钒硼共渗，使用寿命可提高3～7倍（见表8-32）。

表8-31 硼铬共渗与渗硼的磨损失重、腐蚀失重、氧化增重的比较

表8-32 模具使用寿命比较

3.渗碳渗硼

单一渗硼的硬度很高（1500HV以上），但渗硼层很薄（0.11mm），基体硬度低（220HV），容易产生蛋壳效应，且一旦渗硼层被磨掉，工件就迅速被磨损。用渗碳渗硼不但提高渗层深度，而且提高基体硬度，将大幅度提高抗磨料磨损能力，如石油勘探钻头等工件即可用渗碳与硼稀土共渗复合处理工艺。

粉碗是焊条生产线机头上一个重要的易损件。在焊条生产时，由于焊药粉含有Fe、Mn、Mo及大理石等高硬度混合粉末，并以很高的速度经过粉碗的弧形表面，致使该表面被磨粒磨损下凹。粉碗经渗碳与硼稀土共渗复合处理[930℃×7h固体渗碳+950℃×（5～6）h硼稀土共渗+800℃×20min淬火+170℃×2h回火]，寿命得到了提高（见表8-33）。

表8-33 粉碗经不同工艺处理的效果

4.镀镍渗硼

镀镍渗硼的主要目的是改善渗层脆性，提高渗层的耐蚀性和抗高温氧化能力。镀镍渗硼是一种复合工艺，具有比共渗更稳定的工艺性能。镀镍渗硼就是先利用电镀、化学镀等工艺在工件上镀一层镍，然后再进行渗硼处理。由于镀镍、渗硼都是成熟的工艺，所以工艺稳定性好，复合渗层质量稳定。

45钢镀镍渗硼的渗层组织由（Fe，Ni）B，（Fe，Ni）₂B，（Fe₃Ni₃）B，Ni₂B，γ-（Fe，Ni）组成。镀镍渗硼渗层的硬度分布比单一渗硼好（见图8-20），渗层脆性明显低于单一渗硼，耐磨性与单一渗硼相当。

镀镍渗硼的耐蚀性和抗高温氧化能力，明显高于单一渗硼，图8-21和表8-34是两者的比较。镀镍渗硼用于耐高温磨损的工况时明显好于单一渗硼，表8-35是未渗硼、单一渗硼、镀镍渗硼的马赛克轧辊使用寿命的比较。

图8-20 渗层的硬度分布

1—镀镍渗硼 2—常规淬火 3—单渗硼

图8-21 耐磨损试验

1—镀镍渗硼 2—常规淬火 3—单渗硼

表8-34 试样高温氧化的增重值 （单位：mg）

表8-35 轧辊的使用寿命比较