表面化学热处理工艺试验探索

渗硼是近几年来才受到较普遍重视，并在机械制造中得到有效应用的一项较新的化学热处理工艺。碳钢及低合金钢经过渗硼处理，能够获得表面硬度很高的渗层（FeB：1800～2000Hm，Fe₂B：1200～1700Hm），其耐磨性优于通常采用的渗碳、氮化、氰化、高频淬火等方法。因此，我们着重进行了渗硼工艺试验，并与渗碳、软氮化等进行对比。

渗硼方法有固体法（包括膏剂法）、液体法、电解法和气体法等。其中，膏剂法和液体法设备简单，可以因陋就简地利用旧设备。即使在矿区条件修复旧公锥时，也有可能采用。为此，我们进行了膏剂法和液体法渗硼试验。

表5 淬透性和心部强度对模拟造扣试验结果的综合影响

注：本表数据系两根以上模拟公锥的平均值。

4.1.1 膏剂法

膏剂渗硼用的配方主要由碳化硼（B₄C）、氟化钙（CaF₂）和氟硅酸纳（Na₂SiF₆）所组成，用桃胶或文具胶水作黏结剂。碳化硼的粒度为150～200目。氟化钙及氟硅酸钠应研细，不允许有颗粒存在。将三种物质混合均匀，然后用胶水调成糊状，此即渗硼膏剂。

据介绍和试验，膏剂法较适宜的成分配比为B₄C50%、CaF₂35%、Na₂SiF₆15%或B₄C50%、NaF25%、Na₂SiF₆25%^[2][3]。我们选用前一种。

被处理的试样（或工件）除去油污及锈迹后，在150～200℃烘烤，涂上膏剂2～3m。特大件（如公锥实物）可用喷枪或刷子涂上，并在自然条件下干燥。把涂好膏剂并且已干燥的公锥装入罐中，用经1100℃焙烧2h的Al₂O₃将罐填充至满，用耐火泥（水玻璃调）密封，并置于120～150℃烘箱中烘烤0.5～1h，然后在空气炉内加热扩散渗硼。渗硼温度920～940℃保温4～6h。我们对20CrMn2SiMoA、32SiMn2WVA、37SiMn2MoWVA、45SiMn2MoVA、35CrMo、2Cr13、45、20等钢种分别进行了试验，结果列于表6。

4.1.2 液体法

先后试验了在含碳化硼的盐浴中渗硼及以硼砂为基加入各种还原剂的渗硼。均在外热式坩锅炉内进行。坩锅材料为1Cr18Ni9。

在含碳化硼的盐浴中进行渗硼，系在中性盐浴（NaCl-KCl或NaCl-BaCl₂）中添加B₄C、B₂O₃及活化剂NaBF₄，或在硼砂（Na₂B₄O₇）盐浴中添加B₄C^[4，5，6]，试验结果列于表7。(www.xing528.com)

表6 膏剂渗硼试验结果

表7 在含碳化硼盐浴中渗硼试验结果

表7的各种盐浴组成中，以NaCl-KCl为中性盐浴，挥发性较大，NaCl-BaCl₂则比较稳定。B₄C的加入量以10%左右为宜。此种盐浴不存在工件的清洗问题，但盐浴中有偏析沉底的现象，这可加入粒度较小的B₄C悬浮于盐浴中，减少偏析发生。至于65%硼砂加入35%碳化硼的盐浴，流动性很差，不宜在生产中采用。

以硼砂为基加入还原剂的渗硼，是利用硼砂在高温时热分解产生Na₂O及B₂O₃，其中B₂O₃可用还原剂（CaSi、SiC、Al、Si、CaC₂等）在高温下还原出硼，而渗入钢中^[7，8]。我们分别进行了几组试验，试验结果见表8。

硼砂加入时，其称重比例按Na₂B₄O₇·10H₂O计，但1-6、2-3两个配方则按脱水后的Na₂B₄O₇计算称重，前者为后者的1.9倍。

表8所列盐浴组成，如果要求渗层得到FeB+Fe₂B的双相组织，具有很高的硬度，则以2-2和4-1配方较好。如果要求渗层得到Fe₂B的单相组织，脆性低一些，则1-6配方较好。根据公锥的使用要求，选定2-2配方，即硼砂70%、硅钙10%、氯化钠10%和氟硅酸钠10%。

表8 以硼砂为基加入还原剂的渗硼试验结果

①盐浴组成中余量为硼砂。

对比含碳化硼的盐浴和以硼砂为基加入还原剂的盐浴这两种液体法渗硼的试验结果，我们认为前者不仅成本高，而且渗硼效果并不比后者好，因此应该发展以硼砂为基加入还原剂的液体渗硼。

渗硼层组织可采用两种浸蚀剂显示，一种是3%硝酸酒精溶液，它能显示整个渗硼层及基体组织，但不能区别FeB和Fe₂B相，另一种浸蚀剂是特种浸蚀剂^[9]，其配方为：黄血盐1g，赤血盐10g、苛性钾80g、水100g，它能区别渗层中FeB及Fe₂B相（FeB为棕褐色，Fe₂B为黄褐色），但不能显示基体组织。试样浸蚀的时间为8～20min。为了同时观察到渗硼层和基体组织，可先用特种试剂浸蚀，然后用硝酸酒精浸蚀。