如何正确选择渗硼工艺？

将工件置于能产生活性硼的介质中，经过加热、保温，使硼原子渗入工件表面形成硼化物层的过程称为渗硼。渗硼是继渗碳、氮之后发展起来的一项提高表面耐磨性的有效方法。金属零件渗硼后，表面形成的硼化物（FeB、Fe₂B、TiB₂、ZrB₂、VB₂、CrB₂）及碳化硼等硬度极高（1300～2000HV）的化合物，热稳定好。其耐磨性、耐蚀性、耐热性均比渗碳和渗氮高，可广泛用于模具表面强化，尤其适合在磨粒磨损条件下的模具。

根据采用介质的不同，渗硼分为固体法、液体法和气体法。但由于气体渗硼采用乙硼烷或三氯化硼气体，前者不稳定易爆炸，后者有毒，又不易分解，因此未被采用。现在生产上采用的是粉末渗硼和盐浴渗硼。近年来由于解决了渗剂的结块问题，粉末渗硼法获得了越来越多的应用。

1.固体渗硼

固体渗硼主要是用粉末或粒状介质进行渗硼的化学热处理工艺。固体渗硼时将工件埋入含硼的介质中或在工件表面涂以含硼膏剂，装箱密封，加热保温。固体渗硼主要以碳化硼和硼铁作为供硼剂，由于此种供硼剂比较贵，目前常采用硼砂来取代硼铁和碳化硼，其效果基本相同。加入一定量的活化剂可以加速渗硼速度和降低渗硼温度，缩短渗硼时间，活化剂的作用是产生气态化合物，提高渗剂的活性。另外加入一定量填充剂，它是渗剂的载体，可以防止溶剂烧结，保持渗剂松散性和还原性气氛的作用，以减少供硼剂和活化剂的用量。

常用的渗硼剂有：非晶质硼、碳化硼、硼铁合金、硼砂及硼酐。常用的活化剂有：氟硼酸盐、氟化物、碳酸盐、硼氢化钾、氯化铵。常用的填充剂有碳化硅、碳及三氧化二铝。

粉末渗硼剂在处理工件时，易与工件表面粘结，影响工件的表面质量。同时处理完工件后，渗剂易结块，影响渗剂的重复使用。粒状渗硼剂的出现克服了粉末渗剂的不足，所处理工件的表面光洁，渗剂松散，还可重复使用。膏剂渗硼是在粉末渗硼的基础上发展起来的，将粉末渗硼剂加上粘结剂制成膏剂，涂在需要渗硼的工件表面，然后加热扩散。

渗硼工艺主要是控制温度与保温时间，其中温度是影响渗硼层质量的主要因素。渗硼温度一般在850～1000℃之间进行选择。

渗硼保温时间一般为3～5h，最长不超过6h。最有实用价值的渗硼层厚度为70～150μm。过长的渗硼保温时间不仅渗层深度增加不明显，而且使基体晶粒长大，渗层脆性增加，渗层与基体的结合力减弱。

2.液体渗硼

液体渗硼包括电解渗硼和盐浴渗硼两种：

1）电解渗硼是将工件浸入到熔融状态的硼砂浴中，用石墨或不锈钢作阳极，以工件为阴级，以0.1～0.5A/cm²的直流电在熔融的硼砂浴中进行电解渗硼。在电解渗硼过程中，在阳极上将有氧气放出，在阴极上所电解出的钠将与工件表面附近的氧化硼发生置换反应，替换出其中的硼，使之沉积在工件表面，达到渗硼的目的。电解渗硼的效率高，可在较低温度下渗硼，渗硼剂便宜，渗层深度易于控制。

电解渗硼只适用于形状简单的零件，对于形状复杂的零件，由于各部分电流密度不同，会使渗硼层厚度不均匀。另外熔融硼砂对坩埚腐蚀严重，坩埚寿命较短。

2）盐浴渗硼是国内应用较多的一种渗硼法，渗硼剂的主要组成是以硼砂或碱金属的氯化物为主，加入碳化硅、硅钙、铝、硅铁、锰铁等还原剂。一般情况下，渗硼温度为850～950℃，时间为3～6h。应根据钢种及服役条件确定渗硼工艺。

在熔融硼砂中加入氯化钠、氯化钡或碳酸盐等助熔盐类，可使渗硼温度降至700～800℃。盐浴渗硼设备简单，操作方便，渗层组织容易控制，而且能处理形状较复杂的零件。(www.xing528.com)

但盐浴的活性差，工件清洗困难，坩埚寿命短，在大量生产中盐浴温度的均匀性、盐浴成分的均匀性均难保证。

此外，对心部强度要求较高的零件，渗硼后还需进行淬、回火热处理等。由于FeB相、Fe₂B相和基体的膨胀系数差别很大，在淬火加热时，硼化物不发生相变，但基体发生相变。因此渗硼层容易出现裂纹和崩落。这就要求尽可能采用缓和的冷却方法，淬火后应及时进行回火。

渗硼适应于各种成分的钢，它在多种冷、热作模具（如冷挤压模、拉丝模、冷锻模、热挤模、热锻模、压铸模等）上应用，效果非常显著。例如：45钢制硅碳棒成形模经膏剂渗硼后淬火，表面硬度达2200HV，使用寿命比不渗硼的提高3倍以上。表5-4所示为部分模具渗硼的强化效果，供参考。

表5-4 部分模具渗硼的强化效果

典型举例1：Cr12钢制电机单槽冲模，采用固体渗硼处理，渗硼剂质量分数为硼铁（w（B）为15%～20%的FeB）15%、氟硼酸钾（KBF₄）5%、氧化铝粉（Al₂O₃，80目）80%，其工艺如图5-3所示。模具渗硼后还须进行热处理，其工艺如图5-4所示。经过该方法处理后的模具寿命比未渗硼的可提高2～5倍。

图5-3 Cr12钢制电机单槽冲模渗硼工艺

图5-4 渗硼后热处理工艺

试验表明，渗硼层越厚，出现FeB相的倾向越大，FeB脆性大，一旦生成连续的FeB相将Fe₂B包围，在冷却过程中由于表面渗硼层和基体的膨胀系数相差较大，将产生较大的内应力，使模具在工作时，渗硼层易开裂和剥落，影响模具的工作寿命。因此，必须注意防止渗硼中出现FeB。为此，渗硼层不宜太厚，一般仅需15～20μm；渗硼剂中的B₄C质量分数不应超过2%，KBF₄质量分数不超过5%，否则将出现FeB相。渗硼后直接升温淬火，因为多次反复加热和冷却，渗硼层很容易龟裂。为防止模具在高温时产生FeB，升温速度应快，加热温度应低，不超过980℃，保温时间应短。

典型举例2：Cr12MoV钢制磁性材料成型模具渗硼，块状磁性材料是由粉末压制、烧结而成。粉末的硬度高达600～700HV，生产中模具消耗很大。例如用Cr12MoV制造的偏转凹模，经常采用淬火、回火工艺，处理后的硬度在58～60HRC（580～620HV）之间，使用半个月型腔内壁就出现压坑，使压出来的半成品容易产生开裂而报废。采用渗硼淬火、回火工艺后，模具的使用寿命提高了14倍。模具渗硼淬火后硬度为1650HV0.05，渗层深度在0.09～0.11mm，渗层为单相Fe₂B。