渗硼质量控制优化方案

目前生产中主要采用固体渗硼（粉末法、粒状法、膏剂法）及硼砂熔盐渗硼。渗硼剂成分对渗层组织结构、渗硼速度及表面质量影响很大，这是渗硼质量控制的主要内容。由于渗硼温度高，渗硼层体积膨胀量较大，因此渗硼工件的畸变量较一般化学热处理大。虽然渗硼主要用于对畸变要求不高的工件，但是在渗硼过程中仍要加以控制。

2.6.3.1 硼砂熔盐渗硼

1.渗硼加热设备

（1）硼砂熔盐渗硼的加热设备多采用外热式坩埚炉，坩埚材料为耐热钢。为使坩埚内盐浴温度均匀，且温度偏差不大于±15℃，加热炉应满足以下条件：

1）炉膛底部设有支架托稳坩埚，支架高度应保证坩埚底部高于炉膛加热元件的下端。

2）坩埚内渗硼剂的液面应低于加热元件的上端。

3）坩埚外壁与加热元件应有70～150mm的距离。

4）加热炉上部应配备炉盖。

（2）测温热电偶一般置于坩埚外壁，当坩埚直径大于250mm时，可增设直接插入熔盐中心的测温热电偶，坩埚外壁热电偶仅起防止坩埚过热和控温之用。

2.硼砂熔盐用渗硼剂

（1）供硼剂。主要以硼砂、硼酐或硼酸为供硼剂，不宜用硼铁，因盐浴中含铁量增加后影响渗硼速度，且易形成盐浴偏析。

（2）还原剂。选用碳化硅作还原剂，一般得到单相（Fe₂B）硼化物层。若要得到双相（FeB+Fe₂B）硼化物层，可选用铝或稀土元素。

（3）活化剂。用氟化钠、碳酸钠。当用氟硼酸钠和氟硼酸钾作为活化剂时，也兼有供硼作用。

配制渗硼剂原料的技术要求见表2-49。

3.硼砂熔盐渗硼操作

（1）渗硼剂的配制。硼砂脱水后逐次加入坩埚中熔融，再加入还原剂和活化剂，并及时搅拌防止熔盐外溢。

（2）装炉。硼砂熔盐到达规定温度后，搅拌均匀，工件吊挂在有效加热区内。工件之间的间隙一般为10～15mm，并将熔盐液面上部的挂具浸盐，使之粘附一层渗硼液，以减少挂具腐蚀。

表2-49 渗硼剂原料的技术要求

（3）渗硼时间应根据渗硼温度、工件材料和所要求的渗硼层深度确定。工模具钢渗硼层深度可控制在75～150μm。如果渗层太厚，则与基体结合强度降低，且脆性大。

（4）盐浴补加和调整。坩埚内的熔盐液面下降到低于坩埚高度的2/3，或不足浸没工件时，应按原比例补加新盐。久经使用的盐浴当活性下降、渗速降低时可加入适量还原剂调整。

（5）工件渗硼后处理可直接淬火（如Cr12钢渗硼）或空冷后重新加热淬火，但重新加热淬火时应避免脱硼。对于高速钢、3Cr2W8V钢等重新淬火加热温度不能超过1080℃，以免引起硼化物过烧（熔化）。淬火采用冷速缓慢的介质（如热油或空气），以防止淬火应力过大引起渗硼层开裂或剥落。

2.6.3.2 固体渗硼

1.固体渗硼剂的组成

（1）供硼剂：使用最多的是高硼铸铁[w（B）＞20%]。碳化硼由于价格高，获得单相（Fe₂B）渗硼层比较困难，使用较少。近几年来也有用脱水硼砂和硼酐作为供硼剂的，但要添加铝、硅、钙等作为还原剂。

（2）活化剂：主要是氟硼酸钾、氟硼酸钠。

（3）填充剂：多数为碳化硅，也有用氧化铝和木炭的。

2.对固体渗硼剂的性能要求

（1）渗硼速度：以45钢为例，850℃渗硼4h，单相（Fe₂B）渗硼层厚度应大于0.07mm，双相渗硼层厚度应大于0.1mm。

（2）渗剂不能结块，应保持松散状态，且不能粘附在工件表面。

（3）渗硼剂的松装比体积越大，同体积渗箱用的渗剂越少、成本越低。粒状渗硼剂的松装比体积通常为0.9～1.4cm³/g。

3.固体渗硼操作

（1）固体渗硼的装箱方法与固体渗碳相近。渗箱可用低碳钢板或铸铁制作，若采用耐热钢效果更好（由于减少氧化皮的形成，渗箱经久耐用）。渗箱采用双层盖结构较好，如图2-15所示。两层盖之间可填些废渗硼剂。装箱时工件与工件、工件与箱壁之间留有10～20mm距离，靠近箱盖一侧的渗硼剂要增厚一些，不少于20mm。为了便于清理，可在渗箱四周先垫一层纸，再放渗硼剂。(www.xing528.com)

图2-15 固体渗箱示意图

（2）渗箱中应放置与渗硼工件钢种相同的试样，以备金相检验。小渗箱放一块试样，大渗箱可在不同位置放2～3块试样。

（3）固体渗硼可以冷装炉，随炉升温。由于600℃以下渗剂不发生反应，渗箱中的残余空气会引起工件氧化，若采用600～700℃装炉则效果好。

（4）固体渗硼出炉后空冷（也可风冷）至室温后开箱，以免工件氧化和渗箱中有害气体外逸。要求脆性小的渗硼件，为了降低组织应力，渗箱随炉冷至650～600℃保温1～2h后再出炉空冷。Cr12型模具钢可出炉开箱直接淬火。

（5）重新加热淬火的渗硼件，为了避免脱硼，可用中性盐浴加热，也可用旧渗硼剂保护装箱，再在空气介质炉中加热。

（6）渗剂重复使用时需加一定比例新渗剂，或添加一定比例的供硼剂和活化剂。

2.6.3.3 质量检验

1.外观 渗硼件表面应无裂纹和剥落等缺陷，表面颜色为灰色或深灰色。固体渗硼表面有时会出现氧化色，除与渗剂成分有关外，主要是渗箱漏气，工件表面被氧化，但一般不影响使用。

2.表面硬度 采用显微硬度计测量，FeB的显微硬度是1500～2200HV0.1，Fe₂B的显微硬度为1100～1700HV0.1。

3.硼化物类型 因钢种和渗硼方法不同以及渗硼剂的活性和工艺规范不一样，可得到不同的渗硼层组织。用三钾试剂（P·P·P试剂）腐蚀试样能区分FeB和Fe₂B。根据FeB和Fe₂B的相对含量、形态、分布不同，渗硼层有六种组织类型（表2-50）。其中Ⅵ型由于渗硼层不完整，不适于抗蚀工件。

表2-50 渗硼层类型（JB/T 7709—2007）

4.疏松 孔洞和疏松对渗硼层的耐磨性、耐蚀性和脆性都有影响。通常固体渗硼的疏松较硼砂熔盐渗硼的严重。耐磨件允许出现疏松区，但致密区的厚度应大于疏松区。耐蚀件只允许出现轻微的疏松。

5.渗硼层厚度 在200～300倍光学显微镜下，将视场分为6等分，在5个等分点上测量渗硼层厚度，计算算术平均值，即为渗硼层厚度。

h=（h₁+h₂+h₃+h₄+h₅）/5

式中 h——渗硼层厚度；h₁～h₅——5个等分点上测量的渗硼层厚度。

硼化物层厚度偏差不应超过表2-51的规定。

表2-51 硼化物层厚度偏差 （单位：μm）

2.6.3.4 渗硼质量缺陷及其控制

1.严重的疏松或孔洞 渗硼温度高，渗硼剂中含有氟硼酸钾及硫脲等活化剂多时，都促使疏松或孔洞的形成。为了减少渗硼层疏松，可采用以下措施：

（1）降低固体渗硼剂中硫脲、氟硼酸钾等活化剂的含量。用市场上购买的粒状渗硼剂进行渗硼时，若疏松严重，可在渗剂中掺一定比例的木炭粒。

（2）适当降低渗硼温度。

（3）采用高碳钢或高碳合金钢渗硼，其疏松比低、中碳钢轻微。

2.裂纹 渗硼层中的裂纹有以下两种形式：

（1）垂直于表面的裂纹。系渗硼后急冷所致，为防止渗硼层急冷开裂，渗硼后应空冷或油冷。

（2）平行于表面的裂纹。多发生在Fe₂B和FeB两相渗硼层中，是由于存在相间应力，在附加应力（热应力或机械应力）作用下形成的裂纹。降低渗硼剂活性，获得单相（Fe₂B）渗硼层是避免产生平行裂纹的有效措施。此外，渗硼后采用600℃去应力退火对减少这类裂纹也有一定作用。

3.硼化物与基体之间的过渡区出现铁素体软带含Si的合金钢渗硼时，硅被驱赶出硼化物，富集在硼化物层内侧，又由于硅是铁素体形成元素，故在硼化物与基体之间形成铁素体软带。因此w（Si）＞0.5%的钢材不易进行渗硼处理。

4.渗硼层剥落 渗硼层太厚或疏松、裂纹及软带等缺陷严重时会引起渗硼层剥落。控制渗硼层厚度，改进工件结构、避免尖角，尽可能获得单相（Fe₂B）渗硼层，减少渗硼层缺陷，可以避免渗硼层剥落。

5.渗硼层太浅 形成原因有渗硼剂活性不足；渗硼温度低、时间短；固体渗硼时，渗箱密封差、漏气等。

6.渗硼层过烧 渗硼层出现菊花状珠光体与Fe₂B的共晶组织，一般是由于渗硼后重新加热淬火温度过高，或膏剂渗硼感应加热温度过高所引起。控制加热温度不超过1080℃，可避免渗硼层过烧。