采用粉末硼源对钢和合金进行非接触式气相硼富集的方法研究

《Metals》：Research on Method for Contactless Gas-Phase Boron Enrichment of Steels and Alloys Using Powder Boron Sources

　　

非接触式气相渗硼（contactless gas-phase boriding）适用于精密钢构件表面的强化，因为它避免了工件与渗硼介质之间的直接接触，从而有助于保持尺寸精度和表面粗糙度。为了解决传统气相渗硼中外部供应的含硼气态前驱体所带来的毒性、腐蚀性、易燃性以及严格的气体处理要求，本研究提出了一种用于非接触式气相渗硼的新型密封容器结构，其中粉末填充袋沿密封容器内壁分布，并进行了气相渗硼的实验研究。与传统结构相比，改进后的容器将粉末装料放置在靠近加热容器壁的壁挂式袋中，从而加速了粉末加热。这种布置还将粉末加热时间从约1.1小时缩短至0.85小时，并促进了活性含硼气氛的提前生成，将渗硼保温时间从3小时缩短至1.5小时。同时，平均渗硼层（boride layer）厚度从约54 μm增加到约117 μm，最大表面显微硬度达到3500 HV。这些结果表明，改进密封容器结构并优化粉末硼源的布置可以有效强化非接触式气相渗硼过程。可以在保持有限的尺寸变化和可接受的表面粗糙度的同时快速形成厚的硼扩散层。

论文解读文章

研究背景、问题与意义：随着工业对材料表面耐久性要求的不断提高，钢制精密零件的磨损和腐蚀失效问题日益突出。扩散渗硼（boriding）作为一种化学热处理（chemical-thermal treatment, CTT）方法，能够在表面形成高硬度、高耐磨性的硼化物层，其硬度可达1600–2100 HV，显著高于渗碳（约800 HV）和渗氮（约1150 HV），且针状锯齿形扩散层具有优异的结合力。然而，传统渗硼方法存在诸多局限：粉末床法导热性差、加热时间长；液体法熔盐反应性强、清洗困难；常规气相渗硼需要专用真空炉，且使用硼烷、卤化硼等剧毒、易燃、易爆气体，对操作安全与环境构成严重威胁。Yan Pengxun（文献[34]）提出在密封容器内由固体粉末产生活性气相、实现非接触式渗硼，避免了气体直接供应，但粉末加热缓慢、渗层形成效率低。本研究针对上述问题，旨在通过优化密封容器结构，加速粉末加热与活性气体生成，提高非接触式气相渗硼的效率和涂层质量。论文发表在《Metals》。

主要关键技术方法：研究人员采用自主设计的密封容器，其内壁分布有粉末填充袋（pocket structure），以替代传统将粉末置于容器中央轴线的结构。实验以45#钢（化学成分见表1）为基材，使用复合粉末硼源（50% B₄C + 20% CrB₂ + 15% TiB₂ + 5% NaF + 7% NH₄Cl + 3% Al₂O₃，质量分数），在容器内充入超高纯氩气（常压）后密封，置于950 °C预热炉中加热。通过内置热电偶监测温度，采用金相显微镜（Thixomet PRO系统）进行微观结构分析，使用MN-6硬度计测量显微硬度（载荷100 g），并利用机械轮廓仪和坐标测量仪分别测量表面粗糙度与尺寸变化。关键方法包括：对比常规与改进容器结构下的加热时间、渗硼保温时间、渗层厚度及显微硬度分布。

研究结果：

1. **常规容器结构下的渗硼结果**：在按文献[34]建议制造的容器（图1a）中，经950 °C、3 h渗硼后，硼化物层平均厚度为54 μm（手动测量值为54.0 ± 13.5 μm），过渡区平均厚度为548 μm，渗层主要由单相Fe₂B组成。表面显微硬度约2730 HV_0.1（常压）或3280 HV_0.1（减压），但加热粉末至950 °C需1.1 h，渗硼过程存在约1–2 h的诱导期。

2. **改进容器结构下的渗硼结果**：采用内壁分布粉末袋的新容器（图1b），粉末加热时间缩短至0.85 h，保温时间从3 h降至1.5 h。硼化物层平均厚度增至117 μm（约为常规结构的2.16倍），过渡区厚度减至217 μm（减少2.5倍）。渗层结构转变为双相（FeB表层 + Fe₂B亚层），针状组织更细密、界面更发达。显微硬度分布显示，新容器下渗层硬度约1.5倍于常规结构，最大表面显微硬度达3500 HV。这归因于铬、钛对铁硼化物的合金化效应以及更活跃的界面扩散。

3. **加热时间与渗层厚度对比**：通过热电偶实测，新容器中粉末装料在0.85 h内均匀升温至950 °C，而常规容器中上、中、下粉袋分别需0.7–1.5 h。新容器在1 h内即可观察到1–3 μm的渗层，表明活性气体生成提前。

4. **显微硬度分布**：从渗层表面到基体，硬度梯度变化与硼化物层厚度一致。新容器获得的双相层硬度更高，且靠近表面的FeB相硬度显著高于Fe₂B相。

5. **尺寸与粗糙度变化**：渗硼后样品平均尺寸增量为14 μm（约为渗层厚度的5%），表面粗糙度从初始Rz=0.10 μm增至Rz=0.36 μm，呈哑光浅灰色，满足多数精密零件要求。

总结讨论与结论：改进容器结构通过将粉末袋紧贴加热壁，加速了粉末加热与活性气体生成，从而缩短了工艺周期并大幅增厚渗层。过渡区减薄与双相渗层形成表明扩散动力学增强，这与界面扩散加速及碳行为变化相关。研究结论（翻译如下）：本研究证明了采用非接触式气相渗硼方法获得硼化物涂层的可行性，该方法使用密封容器内粉末填充产生活性气体，避免了直接接触与有害气体。新容器结构实现了硼、铬、钛的多组分共渗，涂层硬度高于单一硼化物层。该容器不仅适用于单组分渗硼，也可用于多组分渗硼。与常规结构相比，新容器使渗层形成速度提高2.16倍，渗层厚度增加50%，显微硬度提高30–40%。这些改进归因于粉末装料沿容器内壁的布置，促进了更大体积气相的生成，从而增强了扩散涂层形成。