试析高硬度硼铬稀土共渗层低脆性机理研究

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1、山东农业大学硕士学位论文高硬度硼铬稀土共渗层低脆性机理研究姓名：姜黎霞申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：冯承明;许斌2001.6.1山东农业大学硕士学位论文摘要，f渗硼工艺由于形成的硼化物层具有硬度高，耐磨性好，抗高温氧化性和耐蚀性优良等特点而被广泛应用，但是渗硼温度高，渗速较慢，特别是渗层脆性大、容易剥落，使渗硼工艺的进一步发展和应用受到了限制。稀土元素能够明显提高渗速，降低渗硼温度，但改善渗层脆性的作用有限。铬元素虽然能够降低渗层脆性，但其渗入温度较高，得到的渗层较浅。硼一铬．稀土共渗在保证得到较

2、厚渗层的同时，可以使渗层脆性降低。研究硼．铬．稀土共渗层(以下简称共渗层)的降脆机理，对于应用和推广硼．铬．稀土共渗工艺，促进渗硼工艺的发展有重要意义。，4本文对共渗层及渗硼层的表征脆性进行了对比分析。陉显微硬度计检测发现，共渗层的硬度比渗硼层略高，且硬度梯度平缓。用显微硬度计结合声发射仪对不同钢的两种渗层的脆性进行检测发现，共渗层脆性比渗硼层低，以K值计算，45钢共渗层脆性降低34．3％，T10钢共渗层脆性降低20，9％，GCrl5钢共渗层脆性降低17．6％。T10钢两种渗层进行循环淬火处理时，渗硼层出现裂纹较早

3、，且裂纹扩展比共渗层严重，同时有剥落现象，这说明渗硼层比共渗层脆。在扫描电镜下观察显微硬度压痕裂纹发现，压痕裂纹一般出现在垂直硼化物柱状晶择优生长方向的角部，且沿垂直该择优生长方向的位向扩展。随着负荷的增加，渗硼层上压痕角部裂纹出现较早，裂纹较长，在2009f负荷下出现分叉裂纹。而共渗层上压痕角部裂纹出现较晚，裂纹较短，在2009f负荷下没有出现分叉裂纹。这说明渗硼层在较高负荷下压痕裂纹扩展极快，其扩展驱动力大大超过裂纹扩展阻力，所以脆性较大，而共渗层则脆性较小。在透射电镜下观察到共渗层中沿晶裂纹较渗硼层少，穿晶裂

4、纹较渗硼层短，而且没有分叉。这说明微量铬及稀土元素的渗入，使渗硼层的脆断脆性和剥落脆性都得到改善。广7一一本文先从硼化物层的微观组织结构方面来分析硼铬稀土共渗层高硬度、低脆性的机理。舾于稀土元素的催渗作用，使同种钢的共渗层比渗硼层厚。由于碳原子和铬原子对硼化物晶体的生长起阻碍作用。所以不同钢的共渗层相比，45钢共渗层比较厚，且硼齿明显；T10钢共渗层较薄，且硼齿钝化；GCrl5钢共渗层最薄，且硼化物前沿呈舌状，比较平坦。同种钢两种渗层相比，共渗层基本由Fe：B单相组成，表面疏松较轻，孔洞小且分布弥散均匀，硼化物晶粒

5、细小，齿间组织较少，组织致密，并且过渡区较厚，能谱分析表明，微量RE元素在晶界处富集，微量cr元素在晶内、晶界处基本均匀分布。共渗层的亚结构为孪晶和层错。致密细化的晶粒组织对裂纹的扩展抗力增大，裂纹不易产生和扩展；渗层中层错和孪晶的出现，预示着硼化物晶体的范性有所改善。所以共渗层比渗硼层硬度高、脆性低。厂。o本文认为铬元素是以置换固溶的形式存在于Fe：B晶内的，因此通过对Fe：B相及含铬Fe，B相的价电子结构对比分析，来阐述微量铬元素对硼化物层基本相的硬度及本质脆性的影响，从而分析硼一铬一稀土共渗层的高硬度、低脆性

6、机理。f，Fe，B相的价电子结构计算表明：在Fe，B晶胞中，最强键为沿[2201位向分布的2姜黎霞：高硬度硼铬稀土共渗层低脆性机理研究Fe．Fe键，该键上共价电子对数n=0．3690，键能E=15．1064KJ／mol，次强键为沿【113】位向的Fe．Fe键和沿[423]位向的Fe—B键，其余键为弱键。Fe2B晶胞空间键络沿各个位向的分布是不均匀的，但在(001)面上的投影可看出在该面上键络分布十分密集，所以硬度很高。Fe：B柱状晶具有明显的各向异性，而其织构位向【002]恰为B．B弱键相连，所以当外力均匀作用在各

7、个位向时，【002]位向最容易发生断键，导致Fe，B相具有较高的本质脆性。含铬Fe：B相的价电子结构计算表明：在其晶胞中最强键为沿[423]位向的Cr-B键，其共价电子对数n=0．3117，键能E=19．5416kJ／tool，次强键为[2201位向和【113】位向的cr_Fe键，其余键为弱键。其投影在(001)面上的键络分布仍十分密集，且空间键络分布较Fe：B相均匀，所以硬度比Fe：B相高。由于cr原子的置换固溶，使[002]位向B．B弱键的共价电子对数由0．1309增加到0．1363，键能由4．2365KJ／m

8、ol增加到4．7919KJ／mol，其邻键[423]位向上的Cr-B键由于Cr原子置换了Fe原子，使其键能有了很大的提高(由11．5516KJ／mol增加到了19．5416KJ／m01)，对B—B键起到“加固”作用。因此，cr原子的置换固溶使Fe：B柱状晶织构位向上的B—B弱键得到加强，从而使Fe：B相的本质脆性降低。经计算，含铬Fe：B相的共价键均匀分布因