趙 霞, 高麗敏, 劉 興

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

滲硼對球墨鑄鐵組織和耐磨性能的影響

趙 霞, 高麗敏, 劉 興

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為了提高球墨鑄鐵件的使用性能和使用壽命,對球墨鑄鐵進(jìn)行了固體滲硼處理實(shí)驗(yàn)。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和 X射線衍射儀分析了滲硼層的厚度和滲硼層的組織,并測定了滲硼層的顯微硬度,研究了滲硼對球墨鑄鐵耐磨性的影響。結(jié)果表明:球墨鑄鐵經(jīng)滲硼處理后,其滲硼層由 Fe2B單相組成,滲硼層呈齒狀嵌入基體中。滲硼層的厚度隨時(shí)間延長而增加。球墨鑄鐵經(jīng)滲硼處理可獲得較高的表面硬度,可達(dá) 6.49 GPa。滲硼處理能明顯改善球墨鑄鐵的耐磨性,是球墨鑄鐵的相對耐磨性的 2.45倍。

滲硼;球墨鑄鐵;顯微組織;顯微硬度;耐磨性

0 引 言

滲硼是繼滲碳之后發(fā)展的一項(xiàng)重要實(shí)用的化學(xué)熱處理工藝技術(shù),是提高鋼件表面耐磨性的有效方法[1]。鋼件滲硼處理后,可顯著提高其表面硬度、耐磨性、抗高溫氧化性和抗蝕性,應(yīng)用廣泛。

球墨鑄鐵因石墨呈細(xì)小球狀而具有高強(qiáng)度和韌性,比其他鑄鐵更具有優(yōu)勢,應(yīng)用在許多重要構(gòu)件上,如模具、凸輪軸等部件,主要性能要求是耐磨性。為了提高球墨鑄鐵件產(chǎn)品的使用性能和使用壽命,目前工業(yè)上多采用感應(yīng)淬火、離子氮化、氬弧重熔及激光表面淬火等方法在球墨鑄鐵表面形成白口層來提高其表面硬度和耐磨性[2]。但是,白口層脆性大,最近一些學(xué)者在研究滲硼對鑄鐵性能的影響[3]。文中通過對球墨鑄鐵進(jìn)行滲硼處理,研究滲硼對球墨鑄鐵組織和耐磨性影響,研究滲硼改善球墨鑄鐵耐磨性的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

滲硼實(shí)驗(yàn)材料為球墨鑄鐵,制成Φ20 mm× 6 mm試樣。固體滲硼劑選用商用 LSB-I型粒狀滲硼劑,主要成分為硼鐵、碳化硼、氟硼酸鉀、木炭、碳化硅。將試樣置于Φ40 mm×90 mm密封罐內(nèi),經(jīng)100℃烘干后放入 SX-4-10箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行滲硼實(shí)驗(yàn),加熱溫度為 900℃,分別保溫 2、4、6、8 h,取出密封罐空冷至室溫。

利用 XJB-1型金相顯微鏡和MX-2600FE型掃描電鏡進(jìn)行組織形貌觀察,利用D/MAX型 X射線衍射儀進(jìn)行物相鑒定,用MHV2000型顯微維氏硬度儀測試滲硼層的顯微硬度。在MMS-2B磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滲硼層的摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn),對磨試樣為淬火處理的 GCr15鋼圓環(huán),轉(zhuǎn)速為 200 r/min,加載載荷為 100 N。利用 FC204型電子天平對磨損試樣前后的重量進(jìn)行測定,精度為 0.1 mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲硼層厚度及組織

圖 1表達(dá)了球鐵滲硼層厚度與滲硼時(shí)間的關(guān)系。由圖 1可見,在實(shí)驗(yàn)溫度下滲硼層厚度與滲硼時(shí)間呈線性關(guān)系,滲層厚度在 75～145μm變化。這是因?yàn)闈B硼是一個(gè)擴(kuò)散反應(yīng)過程,擴(kuò)散時(shí)間延長,滲硼層厚度增加[2]。圖 2所示為保溫 4 h滲硼層組織。由圖 2可見,滲硼層呈齒狀嵌入基體中,硼齒的前端比較平直,在滲硼層與基體之間可觀察到富硅的鐵素體區(qū)。對保溫 4 h的滲硼層進(jìn)行 X射線衍射分析,其 XRD衍射圖譜標(biāo)定如圖 3所示,經(jīng)標(biāo)定確定滲硼層由單相 Fe2B組成。一般希望獲得單相的Fe2B相滲硼層,如果滲硼層為 Fe2B和 FeB兩相組成,兩相的比容和線膨脹系數(shù)存在差異,兩相的滲硼層在熱應(yīng)力下易開裂。因此單相 Fe2B對減少滲硼層脆性和提高滲硼層 -基體結(jié)合有利[4]。

2.2 滲硼層顯微硬度及耐磨性

圖 4所示為保溫 4 h滲硼層硬度分布曲線。由圖 4可見,滲硼層表面硬度可達(dá) 6.49 GPa,滲硼層的硬度隨距表面距離增加而逐漸降低。圖 5為滲硼層的相對耐磨性。ε=Wa/Wb,其中Wa為球墨鑄鐵試樣單位時(shí)間內(nèi)的磨損量,Wb為滲硼層試樣單位時(shí)間內(nèi)的磨損量,ε為相對耐磨性。由圖 5可見,球墨鑄鐵經(jīng)滲硼處理能明顯改善其相對耐磨性,球墨鑄鐵滲硼的相對耐磨性是球墨鑄鐵的 2.45倍。

圖 6所示為球墨鑄鐵與球墨鑄鐵滲硼 4 h磨損后的表面形貌。從磨損形貌上分析,球墨鑄鐵磨損形貌為較寬深的犁溝,表面可以看到石墨剝落留下的凹坑,見圖 6a;而球墨鑄鐵滲硼磨損表面較光滑,只有輕微的擦傷,見圖 6b。

磨損性能與試件的組織和表面硬度有關(guān)。球墨鑄鐵組織為珠光體 +球狀石墨,球狀石墨雖有良好的潤滑特性,但因珠光體基體硬度不高,所以球墨鑄鐵的耐磨性有限。球墨鑄鐵滲硼層為 Fe2B相,Fe2B相為 C-16型體心四方結(jié)構(gòu)[5],顯微硬度為 6.14～10.16 GPa[3],因此使?jié)B硼層具有較高的顯微硬度,優(yōu)良的耐磨性。另外,Fe2B相滲硼層組織致密,滲硼層與基體的結(jié)合較為優(yōu)良,也保證了球墨鑄鐵滲硼層具有較優(yōu)的耐磨性。

圖6 磨損后試樣表面形貌Fig.6 Surface morphologies of samples after abrasive wear test

3 結(jié) 論

(1)球墨鑄鐵經(jīng)滲硼處理后,其滲硼層由 Fe2B單相組成,滲硼層呈齒狀嵌入基體中。滲硼層的厚度隨時(shí)間延長而增加。

(2)球墨鑄鐵經(jīng)滲硼處理可獲得較高的表面硬度,滲硼層表面硬度可達(dá) 6.49 GPa。

(3)滲硼處理能明顯改善球墨鑄鐵的耐磨性,球墨鑄鐵滲硼的相對耐磨性是球墨鑄鐵的 2.45倍。

[1] 周桂蓮,常 春,薛紀(jì)放.滲硼的選材及工藝應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備,2002,28(7):46-47.

[2] 楊 超,幕 東,沈保羅,等.滲硼對球鐵耐磨性的影響[J].現(xiàn)代鑄鐵,2008,28(1):66-69.

[3] 徐 鵬,嚴(yán)明明,羅 林,等.硼化球墨鑄鐵中硼化物的斷裂韌性[J].國外金屬加工,2005,26(3):18-21.

[4] 黃拿燦,胡社軍.稀土化學(xué)熱處理與稀土材料表面改性[J].稀土,2003,24(3):59-63.

[5] 許 斌,李木森.降低滲硼層本質(zhì)脆性對其摩擦磨損特性的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(11):131-134.

Influence of boronizing on m icrostructure and wear resistance of ductile iron

ZHAO X ia,GAO L im in,L IU X ing
(College ofMaterials Science and Engineering,Heilongjiang Institute of Science and Technology,Harbin 150027,China)

This paper is concerned with solid powder boronizing treatment of the ductile iron in order to improve the perfo rmance and service life of ductile iron parts.The paper introduces the analysis of the microstructure and thickness of the boriding layers usingMicroscope(OM),SEM and XRD,the determination ofmicrohardness of specimen cross section by boriding layers,and investigation into effect of boronizing on wear resistance of ductile iron.The results show that the ductile iron,subjected to boronizing trea tment,exhibits boriding layers consisting of single-phases of Fe2B,and embedding in the substrate as indention shape.Thicknessof boriding layers increaseswith boronixing treating duration.The ductile iron after boronizing treatment shows better surface microhardness up to 6.49 GPa.Boronizing treatment gives an obvious increase in wear resistance of ductile iron.The boriding layers give relative wear resistance 2.45 times relative wear resistance of ductile iron.

boronizing;ductile iron;microstructure;microhardness;wear resistance

TG156.87

A

1671-0118(2010)02-0121-03

2010-02-03

趙 霞(1980-),女,黑龍江省哈爾濱人,講師,碩士,研究方向:金屬材料表面熱浸鍍鋁、滲硼,E-mail:sunyxzhaox@163.com。

(編輯徐 巖)