稀土La2O3對45鋼滲硼層性能的影響

王蘭，吳奕明，卞國陽，謝欣宇

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稀土La2O3對45鋼滲硼層性能的影響

王蘭1，吳奕明2，卞國陽2，謝欣宇2

（1.江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013）

研究滲硼劑中稀土氧化物La2O3的添加量對45#鋼滲硼層厚度及性能的影響。通過在滲硼劑中添加質量分數為0%、5%、10%的La2O3，對45#鋼在850 ℃進行4 h滲硼處理，利用金相顯微鏡觀察滲硼層的形貌并測試其厚度，利用XRD分析滲硼層的物相結構，利用顯微硬度計、磨損試驗機、電化學工作站對滲硼層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及脆性進行測定及衡量。45#鋼滲硼后，硬度顯著提高，且在滲劑中加入5%和10%的La2O3進行滲硼后，滲硼層厚度及硬度較滲劑中不加La2O3均有明顯增加。在滲劑中添加不同含量的La2O3對滲硼層的耐磨性、耐蝕性以及脆性影響不同。添加5%La2O3進行滲硼后，滲硼層的耐磨性、耐蝕性最佳，脆性最小；添加10%La2O3進行滲硼后，滲硼層的耐磨性和脆性都比未加La2O3的要差，但耐腐蝕性較未加La2O3的要好。綜合滲硼層的厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及脆性指標，在滲硼劑中加入5%La2O3時，45#鋼滲硼層厚度適中，性能最佳。

滲硼；稀土La2O3；硬度；耐磨性；耐蝕性；脆性

滲硼作為一種典型的化學熱處理工藝，因其得到的滲硼層具有硬度高、耐磨性好、耐蝕性好以及抗氧化性能優異等優點而被廣泛應用于工業生產中[1-2]。傳統的滲硼工藝中常常會出現滲硼速度慢、硼化物脆性大等問題，為解決這些問題，一些學者提出了采用稀土元素作為滲劑、共滲劑來改善滲硼工藝和提高滲硼件的性能[3-5]。因此近年來，稀土元素對于固體滲硼的影響得到了很多學者的廣泛關注。蘇振國等[6]研究發現，添加適量的稀土元素可以顯著提高滲硼層厚度，且可獲得高載條件下優異的耐磨性。曹曉明等[7]研究發現，固體滲硼時加入稀土可使滲硼層更加均勻致密，并可顯著提高滲硼層的耐鋅液腐蝕性。高玉芳等[8]發現，在工件表面預涂稀土涂層進行固體粉末滲硼，不僅可以獲得均勻單一的Fe2B層，而且可以提高滲硼層的厚度。常延武等[9]探討了稀土對化學熱處理的催滲機理，發現稀土可以增加滲硼層的硬度，但不一定能增加滲硼層的厚度。劉湘[10]發現，在滲硼劑中加入稀土可以增加滲硼層厚度，并可改善滲硼層質量。綜上所述，在滲硼劑中加入稀土元素，可以改善滲硼層的質量，但其對滲硼層厚度及性能的影響還存有不同的觀點。因此，稀土元素在滲硼中的作用及其對滲硼層厚度及性能的影響尚缺乏系統和深入的研究。本研究以中碳鋼45#鋼為基材，對其進行固體粉末滲硼，研究滲硼劑中稀土La2O3的加入量對滲層厚度及性能的影響，以期為在滲硼劑中加入稀土元素對滲硼層厚度及性能影響的研究提供一定的理論數據，從而能擴大稀土元素在滲硼中的應用，優化滲硼工藝。

1 試驗

1.1 試驗材料

選用正火態45#鋼作為滲硼試樣，尺寸為20 mm× 8 mm×8 mm。滲硼前，對45#鋼進行預處理，用180#、320#、400#、500#、600#碳化硅金相砂紙對試樣進行磨制，然后用丙酮超聲波清洗，裝入試樣袋中備用。滲硼劑為洛陽某滲劑廠生產的LSB-II型粒狀滲硼劑，粒度為 0.5~2 mm。滲硼容器為剛玉坩堝，滲硼時，先在坩堝底部鋪上一層加有不同含量La2O3的滲硼劑，然后將預處理好的試樣放入坩堝內，試樣上方再鋪上滲硼劑。為防止45#鋼在滲硼過程中發生氧化，用水玻璃和耐火材料混合作為粘結劑涂于剛玉坩堝與其蓋子之間。滲硼工藝：加熱溫度為850 ℃，保溫時間為4 h，冷卻方式為爐冷。

1.2 試驗方法

采用Zeiss光學顯微鏡觀察滲硼層及基材組織，并測試滲硼層厚度。采用D/Max-2500/pc X射線衍射儀（XRD）對滲硼層的結構進行分析。采用FUTURE-TECH FM800全自動顯微硬度計測試滲硼層及基材的硬度，并根據硬度壓痕形貌對滲硼層的脆性進行評級。采用MM-2000磨損試驗機進行耐磨實驗，實驗中摩擦副采用環-塊式，塊狀試樣為滲硼試樣，環狀試樣為GCr15（為0.5 μm），狀態為淬火+ 低溫回火，硬度為62~65HRC。實驗在干摩擦狀態下進行，載荷為10 N，實驗時間為30 min，環狀試樣轉速為200 r/min，用精度為0.01 mg的電子天平稱量其磨損質量損失。采用OLYMPUS-OLS4100激光共聚焦顯微鏡測試滲硼試樣表面的粗糙度。采用辰華CHI-750E型電化學工作站對基材及滲硼層進行耐蝕性測試，Ag/AgCl為參比電極，鉑（Pt）絲為輔助電極，試樣為工作電極，腐蝕介質為3.5%NaCl。

2 結果與分析

2.1 45#鋼滲硼層的厚度及形貌

表1為不同滲硼工藝參數條件下45#鋼滲硼層的厚度。由表1中數據可知，隨著稀土La2O3的加入，滲硼層厚度大幅增加，滲硼劑中稀土La2O3的加入量越多，滲硼層厚度越大。說明La2O3的加入具有明顯的催滲作用，且加入量越多，催滲效果越顯著。由擴散第一定律可知，影響元素的滲速有兩方面的因素：擴散元素的濃度、擴散系數。要提高滲速，必須提高擴散元素的濃度或擴散系數。因此稀土加入到滲硼劑中提高滲速，一方面是稀土的加入能加速滲硼劑的分解，提高滲劑中的硼勢，同時由于稀土元素具有特殊的物化性能，可凈化活化金屬表面, 加速活性硼原子的吸附。另一方面，稀土元素的原子半徑（La為0.1871 nm）比鐵原子（0.127 nm）大45%左右，微量稀土滲入后會引起其周圍鐵原子的點陣畸變，增加了擴散通道，降低了擴散激活能，提高了擴散系數，從而起到催滲作用[11-14]。

在滲硼劑中加入0%、5%、10% La2O3，45#鋼在850 ℃滲硼4 h后的剖面形貌如圖1所示。由圖1可知，45#鋼基材組織為珠光體+鐵素體，表層白亮層為滲硼層，可以觀察到，滲硼層均以針狀物契入基體。圖2為在滲劑中加入10%La2O3，45#鋼在850 ℃滲硼4 h后未經腐蝕的剖面形貌，可更加清晰地觀察到滲硼層的針狀特征。可以發現，在滲劑中加入La2O3，滲硼層的形貌特征并沒有明顯改變。

表1 不同滲硼工藝參數條件下滲硼層的厚度（850 ℃滲硼4 h）

圖2 45#鋼滲硼層的剖面形貌（未腐蝕，10%La2O3）

2.2 45#鋼滲硼層的結構分析

在滲硼劑中加入0%、5%、10% La2O3，45#鋼在850 ℃滲硼4 h后滲硼層的X衍射分析如圖3所示。用未加入La2O3的滲硼劑對45#鋼進行滲硼后，滲硼層主要為FeB，伴有少量的Fe3O4。在滲劑中加入不同含量的La2O3進行滲硼后，滲硼層主要為Fe2B，還有少量的FeB和LaF3。LaF3是由于滲劑中的La2O3在滲劑反應物BF3的作用下，發生鹵化作用而形成[15]。

圖3 45#鋼在不同工藝條件下滲硼后的X衍射分析

2.3 45#鋼滲硼層的硬度

在滲硼劑中加入0%、5%、10% La2O3，850 ℃滲硼4 h后滲硼層的硬度如圖4所示。由圖4可知，經過滲硼后，滲硼層硬度為1323~1408 HV，較45#鋼原材料硬度（197 HV）均有大幅度提高，且伴隨著La2O3的加入，硬度逐漸增加，La2O3加入量越多，硬度越高。

圖4 45#鋼不同工藝條件下滲硼后滲硼層的硬度

2.4 45#鋼滲硼層的耐腐蝕性能

在滲硼劑中加入0%、5%、10% La2O3，850 ℃滲硼4 h后，45#鋼在3.5%NaCl介質中的極化曲線如圖5所示，自腐蝕電流密度和自腐蝕電位見表2。結合圖5和表2數據可知，在滲硼劑中加入La2O3進行滲硼后，自腐蝕電位較45#鋼原材料和滲劑中未加La2O3進行滲硼時明顯增加，自腐蝕電流密度較45#鋼原材料和未加La2O3進行滲硼時減小了一個數量級。自腐蝕電位反映發生腐蝕的難易程度，自腐蝕電流密度反映腐蝕速率。自腐蝕電位越大，越難腐蝕；自腐蝕電流密度越小，腐蝕速率越低。由表2中數據可知，滲硼劑中加入La2O3可明顯改善滲硼層的耐腐蝕性能。在滲硼劑中加入5%La2O3，滲硼層自腐蝕電位最大，自腐蝕電流密度最小，耐蝕性最好；在滲硼劑中加入10% La2O3，滲硼層的耐蝕性較滲硼劑中加入5%La2O3要差一些，但較45#鋼原材料和未加La2O3進行滲硼時有明顯改善。

圖5 45#鋼及45#鋼滲硼層的極化曲線

表2 45#鋼原材料及經不同工藝滲硼后 自腐蝕電流密度和自腐蝕電位

Tab.2 Self-corrosion current density and self-corrosion potential of 45# steel andboronized layer of 45# steel under different technological conditions

2.5 45#鋼滲硼層的表面粗糙度及耐磨性

表3列出了45#鋼及不同滲硼工藝參數條件下滲硼層的表面粗糙度數據。由表3中數據可知，45#鋼經過不同工藝滲硼后，滲硼層的表面粗糙度較45#鋼原材料均有所增加，其中以滲硼劑中加入10%La2O3的滲硼層表面粗糙度最大。45#鋼及不同滲硼工藝參數條件下滲硼層的磨損質量損失也列于表3，可以看出，在滲硼劑中加入5%La2O3，滲硼層的磨損質量損失最小，其次為滲劑中不加La2O3的滲硼層。在滲硼劑中加入10%La2O3的滲硼層磨損質量損失大于未加La2O3的滲硼層，而45#鋼原材料的磨損損失最大。一般來說，硬度越高，耐磨性越好，即材料的高硬度能有效地提高抗粘著和磨粒磨損的能力[16]。45#鋼原材料硬度最低（197HV），磨損質量損失最大，耐磨性最差，但經不同工藝滲硼后，其耐磨性并沒有遵循這個規律。加入10%La2O3的滲硼層硬度最高，但耐磨性并不是最好。分析認為可能有兩方面的原因：一是在滲硼劑中加入10%La2O3進行滲硼后，滲硼層表面最為粗糙，在磨損初期與對磨件GCr15的有效接觸面積最小，承受的壓強最大，磨損最快，與此同時產生了較多高硬度的磨粒，從而使滲硼層發生質量損失；二是所產生的高硬度磨粒有一部分又進一步參與磨損，對滲硼層表面起到犁削的作用，從而使得磨損質量損失增加，耐磨性略低。

表3 45#鋼原材料及經不同工藝滲硼后的表面粗糙度及質量損失

Tab.3 Surface roughness and wear loss of 45# steel andboronized layer of 45# steel under different technological conditions

2.6 45#鋼滲硼層的脆性

滲硼層的脆性按照文獻[7,17]進行評定。圖6為滲硼層脆性壓痕示意圖。圖7為在滲硼劑中加入0%、5%、10% La2O3，45#鋼在850 ℃滲硼4 h后滲硼層的硬度壓痕形貌。根據硬度壓痕形貌，對照壓痕脆性參照圖，可以發現，當滲硼劑中無La2O3時，滲硼層脆性級別為4級（圖7a）；當滲硼劑中加入5%La2O3后，滲硼層脆性級別為1級（圖7b）；當滲硼劑中加入10%La2O3后，滲硼層的脆性級別為5級（圖7c）。可以看出，當滲硼劑中加入5%La2O3，可顯著改善滲硼層的脆性，但是當滲劑中加入10%La2O3后，滲硼層脆性高于未加滲硼劑的試樣。這表明在滲劑中加入適量的La2O3，可明顯改善滲層的韌性，降低滲層的脆性，但當超出一定范圍后反而會降低滲層的脆性[18]。

圖6 滲硼層脆性壓痕參照圖[7]

圖7 45#鋼不同工藝條件下滲硼后的滲硼層的壓痕示意圖

3 結論

1）在滲硼劑中加入La2O3進行滲硼后，45#鋼的滲硼層厚度明顯增加。當La2O3加入量為10%時，滲硼層厚度最大。

2）單一滲硼后可大幅提高45#鋼表面硬度，在滲劑中加入La2O3進行滲硼后，滲硼層硬度更高。當La2O3加入量為10%時，滲硼層硬度最高。

3）在滲劑中加入5%La2O3進行滲硼后，滲硼層磨損質量損失最小，耐磨性最好。

4）滲硼劑中加入La2O3可明顯改善滲硼層的耐腐蝕性能。當滲硼劑中加入5%La2O3，滲硼層自腐蝕電位最大，自腐蝕電流密度最小，耐蝕性最好。

5）綜合滲硼層厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及脆性指標，本實驗中，在滲劑中加入5%La2O3，滲硼層厚度適中，性能最佳。

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Effect of Rare Earth La2O3on Performance of 45 Steel Boronized Layer

1,2,2,2

(1. School of Material Science & Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2.Jiangsu University Jinjiang College, Zhenjiang 212013, China)

The work aims to study the effect of the content of rare earth oxide La2O3in the boronizing agent on the thickness and properties of boronizing layer of 45 steel. 0% La2O3, 5% La2O3and 10% La2O3were added to boronizing agent for boronizing 45 steel at 850 ℃ for 4 hours. The morphology and thickness of the boronizing layer were observed and measured by metallographicmicroscope;the phase structure of boronizing layer was analyzed by XRD; and the hardness, wear resistance, corrosion resistance and brittleness of boronizing layer were measured and determined by microhardness tester, wear tester and electrochemical workstation. Boronizing layer of 45 steel could remarkably improve the hardness of base material, and adding 5% La2O3and 10% La2Oto the infiltration agent could significantly increase the thickness and hardness of boronizing layer compared with that without La2O3in the infiltration agent. However, different contents of La2O3had different effects on the wear resistance, corrosion resistance and brittleness of boronizing layer. The boronizing layer with 5% La2O3in the infiltration agent hadthe best wear resistance and corrosion resistance and the lowest brittleness. The wear resistance and brittleness of boronizing layer with 10% La2O3in the infiltration agent were worse than those without La2O3, but the corrosion resistance was better than that without La2O3. Combined with the boronizing layer thickness, hardness, wear resistance, corrosion resistance and brittleness indexes, when 5% La2O3is added to the boronizing agent, and the thickness of boronizing layer is moderate and the performance is optimal.

boriding; rare earth La2O3; hardness; wear resistance; corrosion resistance; brittleness

2018-07-27；

2018-09-30

Supported by the Initial of Jiangsu University Senior Talent (No. 15JDG076)

WANG Lan (1974—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: surface modification of metal materials, friction and wear of metal materials and metallographic analysis. E-mail: cshcwj@mail.ujs.edu.cn

TG156.8

A

1001-3660(2019)02-0094-06

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.02.014

2018-07-27；

2018-09-30

江蘇大學高級人才啟動基金（No. 15JDG076）

王蘭（1974—），女，博士，副研究員，主要研究領域：金屬材料的表面改性研究、金屬材料的摩擦磨損研究、金屬材料金相分析。郵箱：cshcwj@mail.ujs.edu.cn