固体渗硼及其在模具冷冲头上的应用

第２２卷第ｌｏ期　２００６年１Ｏ月　甘肃科技　Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　、，ｌＤ２．２２　Ｎｏ．１０　ｏｃｔ．　２００６　固体渗硼及其在模具冷冲头上的应用　米瑞才　（甘肃华兴铝业有限公司，甘肃陇西７４８１　１２）　摘　要：在总结前人经验的基础上，以解决生产中出现的实际问题为宗旨，探讨以硼铁（Ｆｅ～Ｂ，　２Ｏ　Ｂ）为基的固体渗硼及其在模具冷冲头上的应用。　关键词：硼铁；冷冲头模具；固体渗硼；应用　中图分类号：ＴＧ１５６．８７　近三十多年来围绕着如何提高部分机械零件，　工模器具的表面硬度、耐磨性以及延长使用寿命这　一中心课题，国内、外广大金属热处理工作者对以碳　化硼（Ｂ４Ｃ）粉末为基的固体渗硼，硼砂（Ｎａ　Ｂ　Ｏ　）为　基的电解、液体渗硼，氢稀释的乙硼烷（Ｂ２Ｈ：）、三氯　化硼为基的气体渗硼工艺做了大量的试验、研究工　作，把渗硼工艺的研究与工业应用大大朝前推进了　一步。　不论哪一种渗硼方式，被渗件经渗硼后表面形　成铁的硼化物（ＦｅＢ、Ｆｅ：Ｂ），使其表面均具有很高的　硬度（ＨＶ１３００－－２０００）和耐磨性（主要是磨料磨　损），良好的耐蚀性（硫酸、盐酸及碱中），抗氧化性　（达８００℃）和热稳定性（达９００—９５０℃），这一常规　热处理所无可比拟的显著特点［１］。　１　固体渗硼　１．１　固体渗硼试验与渗剂组分的选择　通常，固体渗硼的渗剂由供硼剂、活化剂、填充　剂三种成分构成。该试验将以价廉、市场易得的硼　铁（Ｆｅ—Ｂ，＞２Ｏ　Ｂ）作为供硼剂，氯化铵（ＮＨ　ＣＬ：　工业纯）、氟硼酸钾（ＫＢＦ　化学纯）为活化剂，木炭　粉（工业级）为填充剂，用　一８ｒａｍ　１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ耐热　不锈钢板焊接成３００×１００ｍｍ×１００ｍｍ专用渗硼　箱，黄泥封箱，于ＲＸ。一３Ｏ一９箱式电阻炉中加热，　首先对渗硼剂的组分进行了试验与选择。　组分１：８Ｏ　Ｆｅ—Ｂ＋２０　９，６木炭粉，试样材料为　４５　钢，　６×２０　９００℃人炉经５小时渗硼后试样随　箱空冷，得到了０．０２８—０．０４４ｍｍ渗硼层；采用同　一工艺３Ｃｒ２ｗ８Ｖ钢只得到了０．０１５—０．０２６ｍｍ点　状不均匀渗硼层，可见在没有活化剂催渗的情况下，　硼铁的渗硼能力很弱，二者相比，碳钢渗硼速度较　快，而合金工具钢３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢可能由于Ｃｒ、Ｗ、Ｖ　碳化物形成元素的存在阻碍了硼原子的渗入。接着　用组分２：７Ｏ　Ｆｅ—Ｂ＋１Ｏ　ＫＢＦ　＋２０　木碳粉；组　分３：７Ｏ　Ｆｅ—Ｂ＋１Ｏ　ＮＨ　ＣＬ２＋２０　木碳粉；组　分４：７Ｏ　Ｆｅ—Ｂ＋５　ｋＢＦ　＋５　ＮＨ　ＣＬ　＋２０　木　碳粉进行试验和探讨，活化剂对渗硼层的影响见表　１。　表１　活化剂对渗硼层的影响　渗硼层深度（ｕｍ）　试样　材料　组分　备注　２ｈ　４ｈ　６ｈ　１＃　４５＃　２　７８　ｌＯ７　１３９　渗层良好　２＃　４５＃　３　８１　１１Ｏ　１４３　晶界腐蚀　３＃　４５＃　４　８３　１１４　１４５　轻微腐蚀　由表ｌ可见：组分４选用５　ＫＢＦ　＋５％　ＮＨ　ＣＬ　做活化剂渗速快，金相分析表明渗层内巳　出现黑色缺陷，且有轻微风的晶界腐蚀，渗硼层为　４５　ＦｅＢ＋５５　Ｆｅ２Ｂ；组分３活化剂为ｌＯ　ＮＨ　ＣＬ　渗速仅次于组分４，金相分析表明晶界疏　松，腐蚀严重。造成晶界疏松、腐蚀的原因是渗剂中　的ＮＨ　ＣＬＭ　在分解过程中产生微量ＨＣＩ气体腐　蚀了渗件表面所致。组分２用ｌＯ　ＫＢＦ　做活化　剂，渗层组织致密没有晶界腐蚀现象，渗硼层为　３５　ＦｅＢ＋６５　Ｆｅ２　渗件表面清洁呈银灰色。综合以上三种活化剂　组分的试验结果，显而易见，选用ＫＢ　做活化剂效　果最为显著，渗件表面清洁。在此基础上固定活化　剂，试验Ｆｅ—Ｂ与木碳粉在渗硼剂中的最隹配比。　分别用：　组分２：７Ｏ　Ｆｅ—Ｂ＋１Ｏ　９，６ＫＢＦ　＋２０　ｏＡ木碳粉；　组分７：２５　Ｆｅ—Ｂ＋１Ｏ　ＫＢＦ　＋６５　木碳粉；　组分５：５Ｏ　Ｆｅ—Ｂ＋１Ｏ　ＫＢＦ　＋４０　木碳粉；　组分８：１５

　Ｆｅ—Ｂ＋１Ｏ　ＫＢＦ　＋７５％木碳粉　维普资讯 http://www.cqvip.com ２６　甘　肃科技　第２２卷　组分６：４５　ｏ，４Ｆｅ—Ｂ＋ｌＯ％ＫＢＦ４＋４５％木碳粉；　对渗硼剂中的硼铁含量与渗硼层深度的关系进　行了试验与探讨，其结果见表２。　表２硼铁含量对渗硼层深度的影响　渗观　靶Ｅ（ｍ　渗硼结果　组分　Ｆｅ—目　材料　２ｈ　４ｈ　６ｈ　渗　试样表面　渗层特征　２　７０　４５＃　７８　１０７　１３９　半结块　郎分粘结　连续致密　５　５０　４５＃　７５　１０６　１３７　部分结块　臂　洁　同　上　６　４５　４５＃　７４　１０３　１３６　略有结块　司　上　同　上　７　２５　４５＃　７１　１０２　１３４　松　散　司　上　同　上　８　１５　４５＃　５８　８９　１２１　同　上　司　上　同　上　注：渗硼温度９００￣Ｃ，试样规格　６×２０，出炉后试样随箱空冷。　上述试验表明：硼铁含量由７Ｏ　降为２５　渗硼　层深度变化不大，只是当硼铁含量由２５　降为１５　时渗硼层深度才明显发生变化，故选择组分７为最　佳渗剂组分。　１．２工艺参数的选择　有关试验表明：渗硼温度越高，渗硼层厚度增加　就越快；而随着渗硼时间的延长，渗硼层的增加趋于　平缓。究竟怎样选择这两个参数呢？对于一般用以　单纯提高耐磨性为主的碳素结构钢而言，渗硼温度　以９００℃，时间以５小时为宜。　１．３固体渗硼机理　活化剂ＫＢＦ　在较低温度时发生化学分解反应　为［反应式（１）］，而在较高温度时则释放出活性ＥＢ］　原子［反应式（２）］。在此气氛中，反应式（２）中的活　性［Ｂ］原子首先渗入工件表面，而Ｆｅ—Ｂ中的硼原　子被反应式（１）中的ＢＦ　所激活［反应式（３）］，生成　活性ＥＢ］原子吸附于渗件表面，并于渗件表面的Ｆｅ　原子接触生成Ｆｅ　Ｂ或ＦｅＢＥ反应式（４）、（５）］随着　ＥＢ］原子的不断渗入，［ｃ］原子不断受到渗入的活性　ＥＢ］原子驱赶向里移动、聚集。由于活性ＥＢ］原子的　渗入降低了共析点的含碳量，当碳的浓度达到共析　成份的含碳量之后，巳具备一定能量的部分Ｅｃ］原　子和进入过渡区之前的活性［Ｂ］原子与渗件中的Ｆｅ　原子形成含硼渗碳体［反应式（６）］。由于活化剂　ＫＢＦ　不断分解ＢＦ。来激活Ｆｅ—Ｂ中的硼原子，生　成活性ＥＢ］原子，渗硼才得以进行，并形成一个连续　过程，直至ＫＢＦ　分解完毕或人为终止渗硼，使Ｆｅ　—Ｂ中不再能释放出容易被渗件表面所吸附并渗入　内部的活性ＥＢ］原子，整个渗硼过程宣告结束。　ＫＢＦ４一ＫＦ＋ＢＦ　……（１）；２ＫＢＦ　一２ＫＦ＋２　ＥＢ］＋３Ｆ２……（２）；　５（Ｆｅ～Ｂ）＋２ＢＦ３一Ｆｅ２Ｂ＋６ＥＢ］＋３ＦｅＦ２……　（３）；Ｆｅ＋［Ｂ］一ＦｅＢ……（４）；　２Ｆｅ＋［Ｂ］一Ｆｅ２Ｂ……（５）；３Ｆｅ＋［ｃ］＋［Ｂ］一　Ｆｅ　（Ｃ、Ｂ）……（６）。　２　固体渗硼在模具冷冲头上的应用　２．１模具冷冲头技术条件　材料：９ＣｒＳｉ　ＨＲＣ：５８～６３　２．２模具冷冲头失效原因式分析　模具冷冲头安装在Ｊ２３—３５型开式可倾压力机　上与下模配合使用，修整经热挤压、落料成形后的力　车内、外挡内孔（每个冲头只能修整内孔３００～４００　件）。常因内、外挡毛坯内孑Ｌ扭曲变形布满毛刺，刮　伤、损坏冷冲头表面，致使冷冲头外园直径变小过早　失效报废。观察失效报废的冷冲头表面布满沟槽，　检查它的表面硬度仍在ＨＲＣ５８～６３之内。分析表　明：导致冷冲头过早失效报废的主要原因是表面硬　度不足，耐磨性差。　２．３　固体渗硼在模具冷冲头上的应用　针对正常生产中用９ＣｒＳｉ钢制造，经常规热处　理的冷冲头更换频繁，严重影响生产的实际问题，本　人提出用４５＃碳素钢制冷冲头经固体渗硼代替原　９ＣｒＳｉ合金工具钢制冷冲头方案。　（１）技术条件　材料：４５＃钢。渗硼层深６—１２Ｏ～１３０ｕｒｎ。ＨＶ　一１２９０～１６２０　（２）渗硼工艺　渗剂组分：选组分７。　渗硼器具：３００ｍｍ×１００ｍｍＸ　１００ｍｍ专用箱，６　—８ｍｍ１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ耐热不锈钢板焊接。　渗硼设备：ＲＸ　一３Ｏ～９电阻炉。渗硼温度：　９００℃。　渗硼时间：５小时。冷却方式：出炉随箱空冷。　渗硼金相组织见图ｌ　图１　４５＃钢冷冲头固体渗硼金相组织　（３）装机对比试验　将４５＃钢制经固体渗硼与９ＣｒＳｉ钢制经常规　淬火处理的冷冲头分别安装在两台Ｊ２３—３５型开式　可倾压力机上做生产性对比试验，其对比试验结果　见表３。　（下转第４５页）

　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１Ｏ期　王廷璞等：利用微生物发酵生物质生产酒精工艺　４５　发展趋势与分析口］．中国工程科学，２００５，（４）：５—９　［５］ＴＨＯＭＡＳ．Ｗ．Ｊ　ＥＦＦＲＩＥＳ　ＡＮＤ　ＲＩＣＨＡＲＤ　ＳＣＨＡＲ—　ＴＭＡＮ．Ｂｉｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｆｉｂｅｒ　Ｆｉｎｅｓ　ｔＯ　Ｅｔｈａｎｏｌ　Ｕｓｉｎｇ　Ｃｏｕｎｔｅｒ——Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　Ｓａｃｃｈａｒ—＿　ｒｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏ—Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｂｉｏｃｈｅｍ—　ｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｂｉｏｔｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９。（７７—７９）：４３５—４４４　［６］Ｒｅｅｓｅ，Ｅ．Ｔ．；Ｓｉｕ，Ｒ．Ｇ．Ｈ．；Ｌｅｖｉｎｓｏｎ，Ｈ．Ｓ．Ｊ［Ｊ］．Ｂａｃ—　ｔｅｒｉｄ，１９５０．（５９）：４８５—４９７　［７］张继泉，王瑞明，孙玉英．利用木质纤维素生产燃料酒　精的研究进展［Ｊ］．酿酒科技，２００３，（１）：３９—４１　［８］陈艳萍，勇强，刘朝刚，等．戊糖发酵微生物及其选育　［Ｊ］．纤维素科学与技术，２００１，９（３）：５７～６１　［９］　Ｅｎｉｋｏ　Ｖａｒｇａ　ｅｔｃ．Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｒｎ　ｓｔｏｖｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｗｅｔ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｔＯ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｄｉｇｅｓｔｉｂｉｌｉｔｙ．Ａｐ—　ｐｌｉｅｄ　ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，（１０４）：３７　～５Ｏ　［ｉ０］Ｌｉｓｓｅｎｓ．Ｇ．；Ｔｈｏｍｓｅｎ，Ａ．Ｂ．；Ｂａｅｒｅ，Ｌ．Ｄｅ，Ｖｅｒ—　ｓｔｒａｅｔｅ，Ｗ．；Ａｈｒｉｎｇ，Ｂ．Ｋ．，Ｔｈｅｒｍａｌ　ｗｅｔ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂ订ｉｔｙ　ｏｆ　ｒａｗ　ａｎｄ　ｄｉ—　ｇｅｓｔｅｄ　ｂｉｏｗａｓｔｅ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．２００４，３８，３　４１８—３　４２４　［１１］Ｐａｌｏｎｅｎ，Ｈ．；Ｔｈｏｒｍ￣ｅｎ，Ａ　Ｂ；Ｔｅｎｋａｎｅｎ，Ｍ；Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ａ　Ｓ；Ｖｉｉｋａｒｌ，Ｌ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｅｔ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗｏｏｄ．Ａｐｐ１．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｎ－　ｔｅｃｈｎｏ１．２００４，１１７，１—１７　［１２］张强，陆军，侯霖，等．玉米秸杆发酵法生产燃料酒精　・・●…・●・・　・●・…●＿＿・’●・・‘・●・。＂●・…●’”・●・…●　“・●・”・●・一●・・・　（上接第２６页）　表３　４５＃钢制经固体渗硼与９ＣｒＳｉ钢制　经常规淬火的冷冲头对比试验一览表　组　试验　平均寿命　别　热处理工艺规范　蝙畸　备　注　结果　ｆ件）　｝　ｌ　３８０２　４０５　８６０　３　３５４　ｌ　冷：∞　４　３７２　ＩｔＲＣ５８—＿６３　３８０　Ｓ　４ｌｌ　／／，＿　６＃　３９６７　３３８　９ＣｒＳｉ冷冲头常规热处理工艺ｈ—■　８　３８２　ｆ　ｌ　ｌ４３９２　ｌ３６７　漆硼屡深　２　１℃　３　ｌ５８６　６　Ｉ２２一ｌ２８　厂　舅　４　１２７３Ｉ｛Ｖ＝１３５Ｏ～１５４０　Ｉ６２Ｉ　５　ｌ６２８６　２４８４　７　１５４２　４５＃冷冲　固体；誊硼工艺ｈ——’　８　Ｉ６５３　对比试验表明：４５＃碳素钢制冷冲头经固体渗　硼比９ＣｒＳｉ合金工具钢制冷冲头经常规热处理工艺　提高使用寿命４．３倍以上，４５＃碳素钢冷冲头经固　体渗硼之所以能够取得这样好的效果，其主要原因：　一是４５＃碳素钢冷冲头经固体渗硼促使表面发生　了质的变化，形成压应力。二是４５＃碳素钢冷冲头　的研究进展口］．饲料工业，２００５（９）：２１—２２　［１３］高培茎，曲音波，王祖农．纤维素酶解过程的分析和测　定．生物工程学报，ｉ９８８，４（４）：３２４　［１４］　Ｖｉｎｃｋｅｎ　Ｊ　Ｐ，Ｂｅｌｄｍａｎ　Ｇ．Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｘｙｌｏｇｌｕｃａｎｓ　ｏｎ　ｔｌｌｅ　Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｅ１１一ｗａ１１一Ｅｍｂｅｄｅｄ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｂｙ　ｔｌｌｅ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　Ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｅ１１ｏｂｉｏｈｙｄｒｏ１ａｓｅ　ａｎｄ　Ｅｎ—　ｄｏｇｌｕｃａｎａｓｅｓ　ｆｒｏｍ　Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ　Ｖｉｖｉｄｅ．Ｐｌａｎｔ　Ｐｈｙｓ—　ｉｏｓ，１９９４，１０４（１）１９９—１０２．　［１　５］　Ｆｏｃｈｅｒ　Ｂ，Ｍａｒｚｔｔｉ　Ａ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ａｎｄ　Ｃｌｌｕｌｏｓｅ　Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ，ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　Ｅｎｚｙ—　ｍａｔｉｃ　Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ．Ｉｎ：Ｈａｉｇｌｅｒ　Ｃ　Ｈ　ｅｔ　ａ１．Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，ｌ９９１．２９７～３０６．　［１６］　常秀莲．木质纤维素发酵酒精的探讨［Ｊ］．酿酒科技，　２００ｉ，（２）：３９—４２　［１７］曲音波，高培茎．造纸厂废物发酵生产纤维素酶，酒精　和酵母综合工艺的研究进展［Ｊ］．食品与发酵工业，　１９９３，１９（６）：６２—６５　［１８］　王瑞明，贾士儒，等．玉米秸秆水解与木糖酒精发酵的　初步研究［Ｊ］．酿酒，２００３，２９（１）：５６—５８　［１９］　张惠展．途径工程——第三代基因工程［Ｍ］．北京：中　国轻工业出版社，１９９７　［２ｏ］邓旭，郑重鸣，等．固定化酵母的双底物乙醇发酵［Ｊ］．　化学反应工程与工艺，１９９５，ｉｌ（３Ｏ）：２９７—３０１　［２１３胡代泽．我国农作物秸秆资源的利用现状与前景［Ｊ］．　资源开发与市场，２００１，１６（ｉ）：１９—２Ｏ　经固体渗硼提高了硬度ＨＶ＝１３５０～１５４０，也就提　高了耐磨性。即使冷冲头的服役条件不变，４５＃碳　素钢冷冲头经固体渗硼其使用寿命要远远高出经常　规热处理的９ＣｒＳｉ合金工具钢冷冲头４．３倍。　３　结论　（１）固体渗硼具有操作方便，设备简单，工件渗　后表面清洁的特点。［２３　（２）用４５＃碳素钢冷冲头固体渗硼可代替　９ＣｒＳｉ合金工具钢经常规热处理的冷冲头，提高使　用寿命４．３倍以上。　（３）固体渗硼在模具冷冲头上的应用是成功的。　参考文献：　［１］苏联｜Ｃ）．Ｍ．拉赫金，Ａ・ｒ．科兹洛夫斯基机械制造中　的热处理手册上海上海科学技术文献出版社，１９８６，２　Ｐ４ｌ２～４ｌ９　［２］章为夷、贡海、高冠玖、刘盛清、邱明祥。砂型固体渗硼　剂的应用金属热处理