TA1钛合金渗硼处理工艺的研究
TA1钛合金渗硼处理工艺的研究[20200413193909]
摘要
本论文是以TA1钛合金作为渗硼基体，对其进行固体粉末渗硼处理。运用单因素法来确定渗硼温度、保温时间、升温速率对渗硼层厚度的影响，利用维式显微硬度机测量试样外表层的硬度，以MXV4000金相显微镜观察渗层组织形态结构。从而得出热处理渗硼工艺[1]。
经过实验分析得出，随着加热温度的递增；保温时间的延长，试样渗层厚度也增厚。在升温速率对渗硼层的影响研究中表明，升温速率对试样的破坏比较严重，出现明显的表面断裂和表面融化。渗层的硬度值从渗层表面到基体呈下降趋势，研究中发现渗层表面到过渡区硬度下降幅度比过渡区到基体硬度下降幅度大。渗层表面硬度最高可达到1200HV0.3，随着渗层距离的增加，硬度值逐渐降低，到10μm左右时，硬度仍高于基体的硬度。经过渡区到达基体后硬度趋于稳定，约260HV0.3左右。
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关键字:钛合金渗硼渗层硬度
目 录
摘要 I
Abstract II
目 录 III
1. 绪论 1
1.1 概论 1
1.1.1 渗硼工艺的由来 1
1.1.2 渗硼的分类 1
1.1.3 固体法渗硼中的化学反应 1
1.1.4渗硼层的形成 3
1.2固体渗硼工艺的应用 5
1.3本课题研究的内容及意义 5
2.实验部分 6
2.1材料及设备 6
2.1.1 实验材料 6
2.1.2实验设备 6
2.2试验方法 7
2.2.1钛硼二元相图 7
2.2.2 实验过程 7
2.2.3实验流程 9
3.结果与分析 10
3.1温度对渗硼层性能的影响 10
3.1.1显微硬度 10
3.1.2 渗层厚度 12
3.1.3 渗硼层显微组织的观察 12
3.2保温时间对渗硼层性能的影响 13
3.2.1显微硬度 14
3.2.2 渗层厚度 16
3.2.3 渗硼层显微组织的观察 16
3.3升温速率对渗硼层性能的影响 18
3.3.1升温速率参数的设定 18
3.3.2表面硬度 18
4.结论 19
参考文献 20
1.绪论
热处理渗硼工艺从诞生到现在已经有100年的时间了，在这段时间内国内国外也发明了许多渗硼方法，如固体粉末渗硼、气体渗硼及膏剂渗硼等，其中固体渗硼工艺因为操作方便简单被大家广泛的应用[2]。我们都知道，硼化物的表面层具有高硬度，耐腐蚀，耐磨损的优点[3]。但是由于渗硼处理温度过高，导致零件的渗后易变形，渗层薄，脆性差的缺点，限制了渗硼技术应用[4]。近年来研究热处理渗硼工艺有着很大的进步。本文对固体渗硼工艺做了一些研究。
1.1 概论
1.1.1 渗硼工艺的由来
莫桑在1895年发表了一篇以渗硼为题目的文章，到目前已经有100多年。从1960年起，电解渗硼和盐浴渗硼已经被人们慢慢的发觉出来，多种盐浴配比和工艺也随之诞生，并且应用在工业生产当中。然而人们发现了硼砂溶液也存在不少问题，如溶液有腐蚀性，使坩埚发生强烈腐蚀；熔融盐表面粘附物和污垢不容易清洗[5]。此外，试样渗后形状变化大，渗硼层有厚有薄极为不均匀的缺点，导致人们寻求新的技术方案来解决。为了寻求得到良好的渗硼层和工艺既经济又实用的要求，固体渗硼再次得到重视。在此基础上，美国，日本，前苏联等国相继发表多篇文章。在20世纪 80年代后，固体渗硼研究方面在我国取得了巨大的成功。
1.1.2 渗硼的分类
1．固体法
固体渗硼是最常用的渗硼方法，其工作过程是用渗硼剂（粉末或粒状）把工件包裸起来装在渗硼罐中，进行混泥土密封加盖，最后加热到一定的时间和温度使其渗硼剂分解活性原子扩散到工件表层[5]。这种固体渗硼工艺的优缺点：
（1）优点为不要求其他特殊的设备，操作简单上手，可以用应用于小批量生产。且渗硼后工件表面无其他污垢，容易清洗。
（2）缺点为生产量较低，不适合大规模生产，工作条件差且渗硼过程中能挥发一些有毒的气体，对人体健康造成不小的影响。渗硼后渗层厚度薄厚不均，致密度低且厚度不容易控制。
固体法渗硼由渗剂的不同形态可以分为粉末固体渗硼和膏剂渗硼。形态为粉末型的粉末固体由供硼剂、还原剂、活化剂、填充剂组成[6]。其中供硼剂为主要的部分，且供硼剂种类繁多，表1.1是可以作为供硼剂的种类及性质
表1.1渗硼供硼剂种类及性质
2．气体法
三氯化硼、乙硼烷和三甲基硼为气体渗硼的主要供硼源。其以上三种气体的各种性能在表1.2。其过程是：把以上气体引入渗硼罐，加热，当其气体覆盖在试样四周的时候，试样外表层会通过置换、分解、还原的化学反应，在试样外表层沉淀或生成硼化物，从而获得渗硼层。
当渗硼介质为三氯化硼和乙硼烷，这种渗硼剂的优缺点如下：
(1) 试样外表层能均匀接触[B]及硼化物且加热均匀，使渗层厚度均匀、渗后表面性能好，渗后试样表面无污垢，容易清洗。
(2)如表特性可知气体有毒且不稳定易爆炸，不仅对身体有危害，而且工作环境有一定的危险性。另外，这两种气体的价格昂贵，不适合应用在实际生活中。
3 固体法渗硼中的化学反应
渗剂种类的不同，渗硼中产生的化学反应也不同。
1. B4C型渗剂
KBF4（wKBF4=5%）+B4C（ｗB4C=5%）+SiC（ｗSiC=90%）+Mn-Fe。其中KBF4起到催化剂的效果，B4C加热分解活性原子[B]， 起到填充效果，Mn-Fe松化渗剂，使渗后试样表层不会有渗剂紧紧的包裸的。该渗剂中主要化学反应为[7]：
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
活性硼原子[B]可以按式(1.4)分解得到，且 还跟 及 发生化学反应得到活性原子[B]和 。
(1.5)
2.硼砂型渗型
(1.6)
由1.6得到的活性原子[B]有一部分渗入工件表面，还有一部分不能渗入，当不能渗入时，渐渐的变成非晶体。非晶硼遇到 、 、 氧化性成分就会发生化学反应生成 。
(1.7)
(1.8)
(1.9)
其中 和 发生化学反应生成 。
(1.10)
生成物 和 及非晶硼发生反应生成 和 。
(1.11)
(1.12)
不稳定状态的 和 ，可分解产生活性硼原子[B]。
(1.13)
摘要
本论文是以TA1钛合金作为渗硼基体，对其进行固体粉末渗硼处理。运用单因素法来确定渗硼温度、保温时间、升温速率对渗硼层厚度的影响，利用维式显微硬度机测量试样外表层的硬度，以MXV4000金相显微镜观察渗层组织形态结构。从而得出热处理渗硼工艺[1]。
经过实验分析得出，随着加热温度的递增；保温时间的延长，试样渗层厚度也增厚。在升温速率对渗硼层的影响研究中表明，升温速率对试样的破坏比较严重，出现明显的表面断裂和表面融化。渗层的硬度值从渗层表面到基体呈下降趋势，研究中发现渗层表面到过渡区硬度下降幅度比过渡区到基体硬度下降幅度大。渗层表面硬度最高可达到1200HV0.3，随着渗层距离的增加，硬度值逐渐降低，到10μm左右时，硬度仍高于基体的硬度。经过渡区到达基体后硬度趋于稳定，约260HV0.3左右。
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关键字:钛合金渗硼渗层硬度
目 录
摘要 I
Abstract II
目 录 III
1. 绪论 1
1.1 概论 1
1.1.1 渗硼工艺的由来 1
1.1.2 渗硼的分类 1
1.1.3 固体法渗硼中的化学反应 1
1.1.4渗硼层的形成 3
1.2固体渗硼工艺的应用 5
1.3本课题研究的内容及意义 5
2.实验部分 6
2.1材料及设备 6
2.1.1 实验材料 6
2.1.2实验设备 6
2.2试验方法 7
2.2.1钛硼二元相图 7
2.2.2 实验过程 7
2.2.3实验流程 9
3.结果与分析 10
3.1温度对渗硼层性能的影响 10
3.1.1显微硬度 10
3.1.2 渗层厚度 12
3.1.3 渗硼层显微组织的观察 12
3.2保温时间对渗硼层性能的影响 13
3.2.1显微硬度 14
3.2.2 渗层厚度 16
3.2.3 渗硼层显微组织的观察 16
3.3升温速率对渗硼层性能的影响 18
3.3.1升温速率参数的设定 18
3.3.2表面硬度 18
4.结论 19
参考文献 20
1.绪论
热处理渗硼工艺从诞生到现在已经有100年的时间了，在这段时间内国内国外也发明了许多渗硼方法，如固体粉末渗硼、气体渗硼及膏剂渗硼等，其中固体渗硼工艺因为操作方便简单被大家广泛的应用[2]。我们都知道，硼化物的表面层具有高硬度，耐腐蚀，耐磨损的优点[3]。但是由于渗硼处理温度过高，导致零件的渗后易变形，渗层薄，脆性差的缺点，限制了渗硼技术应用[4]。近年来研究热处理渗硼工艺有着很大的进步。本文对固体渗硼工艺做了一些研究。
1.1 概论
1.1.1 渗硼工艺的由来
莫桑在1895年发表了一篇以渗硼为题目的文章，到目前已经有100多年。从1960年起，电解渗硼和盐浴渗硼已经被人们慢慢的发觉出来，多种盐浴配比和工艺也随之诞生，并且应用在工业生产当中。然而人们发现了硼砂溶液也存在不少问题，如溶液有腐蚀性，使坩埚发生强烈腐蚀；熔融盐表面粘附物和污垢不容易清洗[5]。此外，试样渗后形状变化大，渗硼层有厚有薄极为不均匀的缺点，导致人们寻求新的技术方案来解决。为了寻求得到良好的渗硼层和工艺既经济又实用的要求，固体渗硼再次得到重视。在此基础上，美国，日本，前苏联等国相继发表多篇文章。在20世纪 80年代后，固体渗硼研究方面在我国取得了巨大的成功。
1.1.2 渗硼的分类
1．固体法
固体渗硼是最常用的渗硼方法，其工作过程是用渗硼剂（粉末或粒状）把工件包裸起来装在渗硼罐中，进行混泥土密封加盖，最后加热到一定的时间和温度使其渗硼剂分解活性原子扩散到工件表层[5]。这种固体渗硼工艺的优缺点：
（1）优点为不要求其他特殊的设备，操作简单上手，可以用应用于小批量生产。且渗硼后工件表面无其他污垢，容易清洗。
（2）缺点为生产量较低，不适合大规模生产，工作条件差且渗硼过程中能挥发一些有毒的气体，对人体健康造成不小的影响。渗硼后渗层厚度薄厚不均，致密度低且厚度不容易控制。
固体法渗硼由渗剂的不同形态可以分为粉末固体渗硼和膏剂渗硼。形态为粉末型的粉末固体由供硼剂、还原剂、活化剂、填充剂组成[6]。其中供硼剂为主要的部分，且供硼剂种类繁多，表1.1是可以作为供硼剂的种类及性质
表1.1渗硼供硼剂种类及性质
2．气体法
三氯化硼、乙硼烷和三甲基硼为气体渗硼的主要供硼源。其以上三种气体的各种性能在表1.2。其过程是：把以上气体引入渗硼罐，加热，当其气体覆盖在试样四周的时候，试样外表层会通过置换、分解、还原的化学反应，在试样外表层沉淀或生成硼化物，从而获得渗硼层。
当渗硼介质为三氯化硼和乙硼烷，这种渗硼剂的优缺点如下：
(1) 试样外表层能均匀接触[B]及硼化物且加热均匀，使渗层厚度均匀、渗后表面性能好，渗后试样表面无污垢，容易清洗。
(2)如表特性可知气体有毒且不稳定易爆炸，不仅对身体有危害，而且工作环境有一定的危险性。另外，这两种气体的价格昂贵，不适合应用在实际生活中。
3 固体法渗硼中的化学反应
渗剂种类的不同，渗硼中产生的化学反应也不同。
1. B4C型渗剂
KBF4（wKBF4=5%）+B4C（ｗB4C=5%）+SiC（ｗSiC=90%）+Mn-Fe。其中KBF4起到催化剂的效果，B4C加热分解活性原子[B]， 起到填充效果，Mn-Fe松化渗剂，使渗后试样表层不会有渗剂紧紧的包裸的。该渗剂中主要化学反应为[7]：
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
活性硼原子[B]可以按式(1.4)分解得到，且 还跟 及 发生化学反应得到活性原子[B]和 。
(1.5)
2.硼砂型渗型
(1.6)
由1.6得到的活性原子[B]有一部分渗入工件表面，还有一部分不能渗入，当不能渗入时，渐渐的变成非晶体。非晶硼遇到 、 、 氧化性成分就会发生化学反应生成 。
(1.7)
(1.8)
(1.9)
其中 和 发生化学反应生成 。
(1.10)
生成物 和 及非晶硼发生反应生成 和 。
(1.11)
(1.12)
不稳定状态的 和 ，可分解产生活性硼原子[B]。
(1.13)
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