畢業設計-低碳鋼表面滲硼工藝的研究-資料下載頁

【導讀】比，滲硼時的保溫時間和滲硼溫度。每個變量都做3個不同的實驗。通過對實驗中所做不。易造成嚴重的結塊現象。對不同保溫時間后的試樣的對比分析，發現5小時是本實驗的最。升，滲層厚度也增加，在920℃左右是比較合適的滲硼溫度。綜合對比考慮后，得出了最

　　

【正文】 試樣表面后，干凈脫污后的標本被帶入實驗室，在 H2氛圍中對標本進行濺射清洗是首先要進行的。在 Ar： H2（ 2： 1）的氣體環境中，用不同配比的硼和硼砂的混合物做滲硼劑的等離子滲硼處理開始了，要在 1023， 1073， 1123， 1173 和 1223 K 幾個不同溫度下加熱長達 7 個小時。用顯微掃描電鏡（日立 52400）研究它的微觀結構， 在20 千伏加速電壓下做了電子探針分析。維氏硬度測定使用了 公斤力負荷，采用 7 個讀數的平均值。 CuK 射線衍射儀被用于 X 射線衍射分析。等離子膏劑滲硼用的器具和其他試驗的細節在參考文獻 [6]中用描述 。 實驗結果及討論 膏劑混合物的比例對硼化物層形成的影響 Fig1 The effect of various ratios of amorphous boron and borax mixture thickness of the boride layer. 圖 1. 不同配比的無定 形硼和硼砂的混合物對硼化物層厚度的影響 25 圖 .1 顯示了用不同比例的膏劑滲硼在 1123 K 溫度下保溫 小時后 硼化物層 的厚度。觀察了用質量分數為 20%和 70%的硼砂形成的厚 硼化物層 。而用質量分數為 100%的無定形硼形成的任何可測量厚度的 硼化物層 沒有被觀察到，這可能歸因于在等離子滲硼期間由于無定形硼的高熔點造成的用于表面擴散的活性硼的缺少。 當硼砂的質量分數增加到 20%時，活躍形成的滲硼層被觀察。在滲硼期間，硼原子，B0，是通過膏劑中的硼的氫化物（ BnHm）的分解產生的，而且這個硼原子 B0變成熔融的硼砂或輝光 放電里活躍的硼原子 B+1。最后，這個硼原子， B+1，擴散，和鐵反應，然后形成 硼化物層 。用質量分數為 30%的硼和 70%的硼砂的膏劑形成的 硼化物層 也被觀察，這可能歸因于有效的液態電解機制，當隨著膏劑中硼砂數量的增加，熔融硼砂的流動性增加的時候。 此外，用質量分數 40 和 55%的膏劑，滲硼時比較慢速率被觀察，正如圖 1 所示。據推測，對包括氣體，電解，液體非電解等在內各種滲硼機制來說，活躍在這個成分范圍內將是困難的，由于一些原因，因此需要進一步調查研究。 圖 1 中不銹鋼 硼化物層 的厚度低于溫和的碳素鋼，這證實了以前報告過的 結果 [7,8]。這不僅是因為在不銹鋼的表面有一個防護層，而且在鉻，鎳等硼化物的表面也有防護層，它們形成與晶界，從而阻止了硼的擴散 [7,8]。 也有人指出，由于硼的數量的增加，膏劑變得過量，粘著在標本的表面當等離子膏劑 滲硼開始后，導致這膏劑的回收率非常低。考慮到硼元素的高成本，因此推斷出等離子膏劑滲硼用的最佳膏劑成分是質量分數 30%的無定形硼和 70%的硼砂。 溫度和時間對滲硼層形成率的影響 Fig. 2. Relation between the boroniding temperature and times on the thickness of the boride layer. 圖 2 滲硼溫度和時間之間的關系對 硼化物層 深度的影響 圖 2 顯示了滲硼溫度和時間對 硼化物層 深度的影響。根據拋物線原理，隨著滲硼時間和溫度的增加， 硼化物層 的深度也跟著增加。這表明 硼化物層 的形成率變的緩慢了隨著滲 26 硼時間的增加。這可以用這樣一個事實解釋：形成于表面的 硼化物層 的下面的富鎳層和富鉻層扮演了擴散屏障的角色，抑制活性硼擴散。進一步的解釋將在文章后面給出。 Fig. 3. Thickness of boride layer vs. square root of boroniding time under various boroniding temperatures. 圖 3. 滲硼層的厚度正比于時間的平方根在不同滲硼溫度下 圖 3 顯示出滲硼層的厚度是正比于時間的平方根，它們有以下關系： d=kt1/2, (1) k 是不斷增長的滲硼層的比率。 計算 AISI 304 不銹鋼滲硼層形成的活化能（等離子膏劑滲硼法），并與由 fuda 提出的熔鹽電解滲硼方法 比較 [10]。 從 k 在公式中的數值，相對擴散系數的值，可估計出形成在 AISI 304 不銹鋼表面的 硼化物層 的深度 D。設增長的滲硼層的比率 k 的常量平方為 K，那 K 就是擴散系數。因此，它的溫度依賴關系可以用一個 Arrhenius 方程表示 : K=K0exp(?Q/RT) (2) Q 是 硼化物層 形成的活化能。 . Arrhenius plot of the velocity constant in plasma paste boroniding. 圖 4 等 離子膏劑滲硼中的速度常數的 Arrhenius 圖表 27 Fig. 5. Variation in boride layer thickness and activation energy for the boride layer formation under different boroniding processes. 圖 5 不同滲硼工藝下，硼化物層厚度和形成硼化物層的活化能的變化 . 圖 4 顯示了 K， K 的對數， T 的倒數幾個要素之間的線性關系，而且從斜率可算出AISI 304 不銹鋼表面 硼化物層 形成的活 化能。在用等離子膏劑滲硼法的情況下，計算出的123 千焦每摩爾的活化能是遠遠低于用熔鹽電解滲硼方法滲 Fe18Cr8Ni 合金計算出來的240 千焦每摩爾的活化能 .這可能表明用等離子膏劑滲硼法 硼化物層 的形成要比其他的滲硼方法容易些，而且實驗得到的結果支持這個結論。在同樣的滲硼溫度和時間條件下（ 1173K 和 3 小時），用等離子膏劑滲硼法得到的 硼化物層 厚度是 24 微米，而用熔鹽電解滲硼方法得到的 硼化物層 厚度是 18 微米（見圖 5）。等離子膏劑滲硼法的高的滲硼率可歸因于通過氣體機制，電解機制，非電解機制產生的大量的活性硼原子 ，而這在熱擴散法中是不存在的。 截面硬度分布的變化 28 Fig. 6. Hardness curves of AISI 304 boronized for various times at 1173 K. 圖 6. AISI304 不銹鋼在 1173K 下硼化時，不同時間的硬度曲線 等離子滲硼標本在 1023， 1073， 1123K，保溫 7 個小時得到的 硼化物層 厚度不能被測量，它們的硬度測量也是不可能的。在 1173 和 1223K 溫度下等離子滲硼，無論如何，形成了 30～ 40 微米厚的 硼化物層 ；對等離子滲硼標本在 1223K 保持 7 小時后的截面硬度測量結果總結在圖 6 上。在等離子滲硼 7 小時后的標本上發現了最大深度為 45 微米的滲層，和最高硬度為 1800～ 2021 的滲層。 截面 硼化物層的微觀結構和成分分析 Fig. 7. Microstructure of the boride layer. 圖 29 對 AISI304 不銹鋼在 1023～ 1223K 處理 3， 5， 7 個小時的滲硼層的截面微觀結構檢查研究后，發現隨著滲硼溫度和時間的增 長， 硼化物層 厚度也跟著增長。在滲硼碳鋼中能正常觀察到的齒狀結構在滲硼不銹鋼中觀察不到。相反，如圖 7 [11]所示，在 1173K 滲硼 3小時后的不銹鋼 硼化物層 中出現了扁平結構。 等離子滲硼標本的截面微結構顯示了一層 硼化物層 ，富鎳層，富鉻層，還有基體，和其他研究者觀察的結果一致 [12]。用電子探針對圖 7 的每個區域進行成分分析。結果顯示硼化物層 含大約質量分數為 4 的鎳，基體還有大約 的鎳。這解釋了在 硼化物層 下的富鎳層的形成。在等離子滲硼期間，當 硼化物層 中過量的鎳需要擴散到基體時，富鎳層在 硼化物層 和基體之間形成。另 外，觀察圖 7 中在富鎳層下的富鉻層（大約質量分數為 28%的鉻）。根據目前用電子探針對硼的線性分析，在等離子滲硼期間，觀察到 硼化物層 有高度的硼集中現象，富鉻區硼的高度集中也被探測到，這表明在這個區域有大量的鉻硼化物形成。 此外， Katagiri 觀察了 硼化物層 中的小氣孔和用氯化硼，氫氣對純鐵滲硼形成的硼化物層中相似的氣孔。由于這些氣孔對滲層的機械性能是不利的，所以大量的判斷這些氣孔形成機制的研究已經進行。迄今為止，硼在 硼化物層 中的異構分布被普遍認為是 硼化物層中氣孔形成的主要原因。據報道，擴散退火處理時有效去除滲層 氣孔的方法 【 13】 。 . X 射線衍射分析 圖 8 顯示在各個溫度下，等離子滲硼處理 3 個小時的標本的 X 射線衍射分析結果。正如圖 8 顯示的，觀察到了如 FeB， CrB， Ni3B 等硼化物的高峰，但 Fe2B 沒有得到證實。探測到的最強高峰是 CrB，表明有大量的 CrB 在 硼化物層 中形成。在 1123K 溫度下，等離子滲硼處理 7 小時的標本的表面距離函數的 X 射線衍射分析結果。圖 9（ b 和 c）分別顯示了離等離子滲硼表面距離 10 和 20 微米的區域的 X 射線衍射分析結果。根據圖 9 中的結果，證實在 硼化物層 和基體之間存在 Ni3B 和 CrB 層。 30 Fig. 8. Xray diffraction patterns observed from the surface of the AISI304 which were bonded for 1 h at various temperatures: (a) 1023 K,(b) 1073 K, (c) 1123 K, (d) 1173 K and (e) 1223 K. 圖 8. 對 AISI304 不銹鋼滲硼處理一小時后的表面觀察所得 X 射線衍射花樣 （ a） 1023K；（ b） 1073K；（ c） 1123K。(d)1173K；（ e） 1223K。 31 . Fig. 9. Xray diffraction patterns obtained from boride layer formed on AISI 304 (1123 K/7 h): (a) surface, (b) 10μm cutoff and (c) 20μm cutoff 圖 9. 在 AISI304 不銹鋼（ 1123K/7h）表面形成的硼化物層的衍射花樣 (a)表面；（ b） 10 微米深；（ c） 20 微米深 結論 （ 1） 對 AISI304 不銹鋼的等離子膏劑滲硼來說，形成 硼化物層 的最有效、最經濟的膏劑配比是質量分數 30%的無定形硼和 70%的硼砂。 （ 2）用等離子膏劑滲硼法，可以比傳統的熱擴散滲硼法在一個較短時間和較低溫度下，得到扁平結構的厚 硼化物層 。 （ 3）用等離子膏劑滲硼的 AISI304 不銹鋼的微觀結構由遠及近分別是 硼化物層 ，富鎳層，富鉻層，基體等。在滲硼過程中，含低溶解度鎳的硼化物層形成在表面，過量的鎳通過擴散在 硼化物層 下面形成富鎳層。 Cr 元素中的一些進入硼化物層，另一些擴散到基體，從而在富鎳層和基體之間形成富鉻層 。 （ 4） AISI304 不銹鋼形成硼化物層的活化能是 123 千焦每摩爾，這是明顯低于傳統熱擴散滲硼法測到的數據的。 32 翻譯原文 33 34 35 36 37 致 謝 首先我要感謝我的導師 XXX 教授。本研究是在恩師吳振卿教授的全力指導下完成的，吳老師注重研究深入，更是要求我抓好基礎知識，從畢業設計的選題、實驗內容的制定和施行再到最后的論文，吳 老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。 吳 老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我 做人 ， 對 吳 老師的感激之情是無法用言語表達的。 在此我由衷地感謝您，我的老師 ! 我要感謝我的學長 XXX、 XXX 碩士，他們多次帶我走進實驗室，指導我完成畢業設計實驗。感謝與我同組的四名本科生，我們經常在一起討論實驗思路和實驗進程、相互鼓勵和督促，他們對我的實驗和論文寫作給予了極大幫助。 我要感謝我的學院為我做畢業設計提供的良好環境，為了方便進行畢業設計，學院組織我們進行校區搬遷，感謝實驗室老師對我提供的支持和幫助。 感謝我的同學 們四 年來對我學習、生活的關心和幫助 。 最后，向我的父親、母親、 哥哥、弟弟 致謝，感謝他們 對我的理解與支持 。 隨著畢業論文的完成，也意味著大學四年的學習即將畫上句號， 四年的求學生涯在 老師 、 同學和家人、朋友 的大力支持下 已臨近帷幕 ，走得辛苦卻也 受益良多！ 在此我要再次感謝大家，謝謝你們！