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1、盐浴渗铌及其应用陈福建豆秀梅富振成宋小龙平顶山市标准件厂西安交通大学材料工程学院一、前言机器零件，工具和模具都是信赖其零件副的相对运动而工作的，其失效和破坏大都发生在表面，或由表面开始，这是由于机器零件和工模具在服役时承受的外力大部分都集中在表面或由表至里依次减小。工模具在使用过程中，除少数因脆断损坏而发生非正常失效外，大多数皆因表面疲劳、磨损或高温氧化以及介质腐蚀而不能继绥使用。零件及工模具的表面性能在很大程度上决定着它们的综合使用性能。所以要想提高机器零件及工模具的使用寿命并保持优良的性能，最重要的是如何提高其表面的质量和性能。目前改善钢铁零件表面性能的方法很多，其中化学热处理的渗镀是极有
2、发展前途的新工艺之一。在渗镀工艺中，由于使用硼砂做为熔浴，具有分解温度高( 1 5 7 3 ) ，在渗金属的温度范围内状态稳定，而且熔融硼砂具有熔解金属氧化物的能力，使金属表面洁净，又具有良好的弥散性，有利于金属的吸附，用于盐溶时具有蒸发量少，无公害，不易老化等诸多优点，因此，得到了较广泛的应用。为了提高标准件生产过程中大量使用的工模具的耐磨性，从而提高其使用寿命，我们进行了盐浴渗铌及其在模具上的应用试验工作。二、试验方法渗铌在自制的外热式坩埚炉中进行，即在熔融的硼砂中加入铌或它的氧化物及还原剂，试样在这种熔盐中加热并保温定时间后直接淬火，清洗干净并进行低温回火。我们分别选用不同材料，不同渗铌
3、温度和保温时间，以观察不同材料及不同工艺参数对渗铌效果的影响。渗铌层的组织形貌在M e F一3 型大型金相显微镜下观察，相分析在D M X 一I A 型x 射线衍射仪上进行，渗铌层的显微硬度测量在M i c r o m e t - - I I I 型显微硬度机上进行，渗铌层的磨损试验在M 一2 0 0 型磨损试验机上进行，磨损试验表面微观形貌分析采用陀M- - 3 5 C 扫描电子显微镜。三、试验结果及分析讨论7 9 l 、影响渗层形成的主要因素1 ) 盐浴成份的影响向硼砂浴中加入铌粉或铌的氧化物及还原剂的数量直接影响活性 原子的浓度和盐浴的稠度。要想获得较理想的渗层厚度，必须使硼砂浴有较好的
4、流动性且与 套m 原子的浓度和扩散速度相适应。2 ) 温度的影响温度升高使盐浴的流动性提高， N b 浓度提高，基体中E C 活性也提高，更主要的是增加其扩散速度，因而加速渗层的形成和扩散层的增厚，表1 列举了几种钢材在不同温度下保温5 5 小时所获得的渗层厚度。表l渗铌层厚度( lm )材料备注 9 0 0 9 5 0 1 0 0 0 T 87 39 81 2 2保温 T 1 29 81 4 71 7 25 5 小时3 ) 保温时间的影响由于碳化物扩散层经形成，就使渗入元素与 C 的扩散受阻，扩散层越厚其阻力越大；即渗入元素与 C 形成碳化物扩散层的速度越缓慢。所以渗层厚度并不随时间的增加而
5、成比例的增加，当形成一定厚度后，日保温时间增加，渗层厚度并不明显增加一。表2 列出了几种钢在不同保温时间下的渗层厚度的比较。表2渗铌层厚度( um )材料备注 3 d , 时6 d , 时4 57 3 59 91 “ 89 ，81 2 3加热温度T 1 21 4 71 7 39 8 0 G C r l 51 2 21 4 7G y l 2 M o V4 97 , 34 ) 碳及合金元素的影响从表1 和表2 可以看出，在碳钢中，含碳量增加显著地增加渗层的厚度，金相观察渗层也更均匀完整不易形成脱落层。合金元素均使渗层减薄，但渗层较均匀不易脱落。5 ) 盐浴的稳定性与活性的恢复盐浴连续使用8 次仍具
6、有一定的活性，但随着使用次数的增多，活性逐8 0 渐下降，因而渗层依次减薄。向盐浴中补加适量的还原剂后可以恢复其活性。2 、渗层组织及结构分析渗N b 层的金相组织形貌如图l 所示，渗层组织是由单一的N b c 组成，与基体有明显的界限。渗N b 基体的次表层没有大块状碳化物，仅有细小的碳化物颗粒，这可能是由于N b 是强碳化物元素， N b 的渗入要夺取一部分 C ，形成稳定的N b c ，因此基图1c r l 2 钢渗N b 的金相组织3 0 0 X体中的 C 原子要向表面迁移，以形成稳定的N l m 造成的结果。为了工艺上的可行性以及避免渗N b 后工件表面不出现贫C 区或弱贫C 区，要
7、求待渗工件材料含C 量应不低于0 。6 0 。 图2 为C r l 2 钢经渗N b 后慨射线衍射图，从结果可知，渗N b 层主要物相为N b c 及该材料的原物相组成。图2C r l 2 钢渗铌威射线衍射图渗层的硬度和磨损试验结果- 8 1 C r l 2 钢渗N b 后各相的显微硬度如表3 所示。从表3 可以看出，N b c 具有较高的显微硬度。表3C r l 2 钢渗N b 后各相的显微硬度( H V ，。)I相N b e碳化物基体ll硬度H V t o g ( M l a )2 6 5 9 61 7 2 0 9T 8 5 3I IC r l 2 钢渗N b r 后在M 一2 0 0 试
8、验机上进行磨损试验，与其配对组成摩擦副的试样材料为G C r l 5 钢淬火低温回火组织，硬度为H R C 6 2 5 ，试验条件为润滑条件下的滑动磨损，加载5 0 k g ，用称重法测定磨损量，试验结果如图3 所示。从试样的失重曲线可以看出，渗N b 后，耐磨性能大幅度提高o 渗N b 与不渗N b 试样经磨损后其表面形貌特征基本上符合显微切割模型。由于摩擦副之间的相对运动而产生位移，点剥落，从而使配副产生切割，位移而产生大块脱落。经渗N b 处理后，由于摩擦系数降低，抗粘着性好，改善了其摩擦磨损条件，从而仅有切割，位移及少量点脱落而没有发生大块位移脱落现象。岣 SV qI副C ； 1 2
9、钢渗锐与不渗锯瞄损失皿曲坟，口fr j四、生产实际应用8 2 一O O五。盖0口D ,XlOs一)b ) 与O r 2 镪渗锯配付的O C r l 5 镪摩叛失亚曲线圈3 c r l 2 镪渗锯与不惨键及G c r l s 镪配竹的瞄损失煎曲线我们采C r l 2 M o V 钢制的M 1 0 - - M 1 6 镦六角上、下冲模原使用寿命分割分别为1 万次和1 2 万次左右，经渗N b 后其使用寿命提高到平均8 2 万次和9 7 万次，使用寿命提高了7 倍以上。镦球上、下模经渗N b 后使用寿命提高T 6 倍以上。这不但节约了大量的模具费用，还因此减少了许多换模次数，大大提高了生产效率，减少
10、了操作人员的劳动强度，节约能源，取得了十分显著的经济效益。另外，工件渗N b 后，表面有良好的耐腐蚀抗氧化能力，不经任何防锈处理存放数年无丝毫锈蚀痕迹。五、结论1 、从金属学角度分析，钢件表面渗N b 是完全可行的。2 、从工艺角度分析，产生活性 N b 原子的化学反应完全满足热力学条件。3 、渗N b 层厚度主要受到加热温度、保温时间、盐浴活性和基体C 含量及其它合金元素的影响。 4 、渗N b 层为单一的N b e 组成，与基体有明显的分界线，没有发现c和) F e 相存在。N b c 的显微硬度( H V l o 叠) 可达2 5 0 0 0 M P a 以上。5 、经磨损试验表明，渗N b 后耐磨寿命显著提高，摩擦系数降低，参N b表面抗粘着性、抗咬合性极佳。6 、生产实际应用，渗N b 的工模具使用寿命大幅度提高。7 、由于渗N b 层具有极其可贵的性能，及工艺简便易行，不需要复杂的设备等优点，具有广泛的推广应用价值。- 8 3
