稀土CeO2增強65Mn鋼滲硼層的耐蝕性與抗磨性能

摘要：

在700℃下對65Mn鋼進行稀土硼共滲處理，利用金相顯微鏡以及能量散射光譜（EDS）研究其表面滲層的微觀結構特征，分析其對耐蝕性和耐磨性的影響，并與常規850℃下滲硼處理進行對比。采用腐蝕實驗和磨損實驗，評估了CeO2增強的65Mn鋼滲硼層在含肥土壤環境中的耐蝕性和抗磨性能。實驗結果表明，引入CeO2納米顆粒后滲層的結構更加均勻致密，這對提升滲硼層的耐蝕性和抗磨性能具有顯著的改善效果。腐蝕測試結果表明，稀土硼共滲滲層表面沒有出現裂紋，保持完整且致密，界面未見腐蝕跡象。磨損測試結果表明，稀土硼共滲滲層體積磨損量為常規滲硼處理的18.09%。

關鍵詞：

稀土硼共滲；微觀組織；耐蝕性；耐磨性

中圖分類號：

TG156.8

文獻標志碼：A

收稿日期：2023-08-15

基金項目：

江蘇省高校品牌專業項目（批準號：蘇教高函［2020］9號）資助；南通市基礎研究計劃指導性項目（批準號：JCZ21062）資助；南通理工學院中青年骨干教師培養計劃（批準號：ZQNGGJS202105）資助。

通信作者：

趙玉鳳，女，博士，講師，主要研究方向為材料表面改性、機械設計。E-mail： zhaoyf@ntit.edu.cn

65Mn鋼是農機設備中觸土部件的常用材料，其耐腐蝕性和耐磨性問題是現階段農業機械化研究的關鍵［1-2］。為了提升觸土部件的性能以延長其使用壽命，對其表面改性處理［3-5］。當前，改善零件的表面性能的常見方法有堆焊、激光熔覆、化學熱處理、噴涂、氣相沉積等［6-7］。滲硼技術具有操作簡單、成本較低，可顯著增強零件表面的耐磨和耐蝕性能等優勢［8-9］，但是滲硼層常出現組織疏松、厚度較薄等問題，導致耐磨性不足，常用的解決方案包括在滲硼劑中引入稀土元素［10］。添加稀土元素能夠降低硼原子擴散所需的活化能，促進滲硼速率，從而優化滲硼層的性能。在稀土元素中，鈰元素具有最高的豐度，氧化物CeO2易于制備且相對經濟。在鐵基冶金材料表面滲硼處理的過程中添加適量的CeO2，可以改善滲硼層的表面完整性，使其具有更優越的耐磨性［11］。過量的CeO2抑制滲硼作用，添加2% CeO2試樣的滲硼層具有更好的抗磨損性能［12］。滲硼等溫淬火工藝能夠增強鋼基體的表面硬度并提升耐腐蝕性［13］。已有的研究表明，添加適量的CeO2可以提高滲層的耐磨性能和硬度，但是未涉及耐含肥土壤腐蝕性方面的研究，同時滲硼處理保溫溫度均在A1線（727℃）上進行。本文在熱處理溫度低于700℃時對65Mn鋼進行稀土硼共滲處理［14-15］，降低高溫對稀土硼共滲工藝的影響，研究其表面滲層的微觀形貌、耐蝕性和耐磨性，并與850℃下常規滲硼處理的65Mn鋼進行對比，旨在獲得一種提高農機設備中用65Mn鋼表面性能的處理方法。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

實驗用材料為中國新撫鋼公司生產的65Mn棒料，名義化學成分見表1。固體粒狀滲硼劑為山東九星熱處理材料公司生產，常規滲硼劑用硼鐵和碳化硼為供硼劑、氟硼酸鉀為活化劑，另加粘結劑制成的球型顆粒。稀土滲硼劑用40%硼鐵、10%氟硼酸鉀、38%碳化硅、2%氯化銨、3%氟化鈉、1%硫脲、6%納米氧化鈰。

1.2 實驗方法及設備

實驗用試樣尺寸為10mm×10mm×6mm。試樣鑲嵌后，選擇砂紙由粗到細的步驟逐級打磨，然后拋光處理，將處理好的試樣放入無水乙醇中進行超聲波清洗，取出試樣，待完全干燥后裝箱進行常規滲硼處理和稀土硼共滲處理。

常規滲硼處理工藝步驟時將試樣放置滲硼劑的中央位置，保持距離滲箱壁15 mm以上，同時離箱蓋較近的一側確保滲硼劑的層厚至少20 mm，用耐高溫密封膠密封，靜置24 h，密封膠自然風干。將滲箱放入已預熱至850℃的箱式爐中，保持在此溫度下6 h后取出滲箱，自然冷卻至室溫后取出試樣。

稀土硼共滲處理工藝步驟時，試樣放入已預熱至830℃的箱式爐（型號SX2-4-10，如圖1所示）中保溫30 min，取出放入油中淬火，自然冷卻至室溫，再放入預熱至480℃的箱式爐中保溫2 h后取出，將冷卻好的的試樣進行與常規滲硼相同的處理方法，放入預熱溫度至700℃的箱式爐中，保溫9 h后取出滲箱，自然冷卻至室溫后取出試樣。

耐蝕性實驗的腐蝕介質為含10%復合肥（N-P2O5-K2O：11-44-0.09）的土壤，肥料腐蝕時間為168 h，腐蝕實驗中，將試樣埋入腐蝕介質中，以使試樣均勻腐蝕。采用日本電子公司JSM-7001F場發射掃描電鏡（配有英國牛津儀器公司的IE-350型能譜儀）觀察橫切面形貌。

摩擦磨損實驗采用M-2000型試驗機，如圖2所示。實驗中，測試載荷為500 g，轉速為300 r/min，實驗時間為20 min，無潤滑狀態，對磨件為4 mm的Si3N4陶瓷球。

2 結果與討論

2.1 橫截面形貌

圖3是兩種工藝處理后的65Mn鋼橫切面的SEM形貌，滲硼層呈現典型的弱齒型形貌，但稀土硼共滲滲層組織較常規滲硼處理要均勻致密，滲層表面較平滑。滲層厚度分別為79.2 μm和34 μm，可以看出，稀土硼共滲所獲得的滲層厚度比常規滲硼要小，因為常規滲硼工藝在850 ℃溫度下進行，而稀土硼共滲工藝是在700 ℃溫度下進行。一定溫度范圍內，溫度升高會增強原子的擴散能力，導致滲層的厚度增加。

2.2 耐蝕性

圖4是兩種工藝處理后65Mn鋼在10%復合肥的土壤中腐蝕168 h后的形貌。由圖4（a）可知，常規滲硼態試樣表面存在裂紋，分布有白色針狀物的組織，對其進行EDS分析發現，該區主要成分為Fe、O和P（圖4（e）），在腐蝕起始階段，滲硼態試樣表面的Fe與含肥土壤中的正磷酸發生了磷化反應，磷化反應物之一的H2吸附在試樣表面，此時僅有Fe的溶解而沒有磷化膜的形成，隨著時間的延長，另一磷化反應物Fe（H2PO4）層不斷增厚，在生長應力的作用下形成裂紋，剩余的正磷酸脫水后以白色針狀組織沉積在試樣表面。由圖4（b）可知，滲硼態試樣表面滲硼層完整致密，在滲硼層與基體交界處未見任何腐蝕跡象。65Mn鋼經滲硼處理后，表面滲硼層有效阻斷了含肥土壤的腐蝕，耐蝕性得到了明顯提高。由圖4（f）可知，稀土硼共滲試樣表面幾乎完全被沉積物覆蓋，沉積物的成分含量大量的P、Ca、S、O，可以推斷這些沉積物很可能是源自土壤中肥料的沉積物；根據上述結果可知，65Mn經過稀土硼共滲后，滲層表面未發現裂紋，在含肥土壤介質中的耐腐蝕性能得到提高。

2.3 耐磨性

圖5是兩種工藝處理后65Mn鋼與Si3N4陶瓷球對磨后的磨痕形貌。稀土硼共滲試樣磨痕的寬度約為常規滲硼處理試樣的一半，利用基恩士（KEYENCE）公司生產的VHX-1000型超景深三維顯微鏡評估磨痕的表面積，稀土硼共滲處理試樣磨痕的面積為117 468.39 μm2，常規滲硼處理試樣磨痕的面積為753 163.93 μm2，測量磨痕的高度，低溫稀土硼共滲處理試樣磨痕左、中、右3個部位的平均高度為16.66 μm，而常規滲硼處理試樣磨痕左、中、右3個部位的平均高度為14.36 μm。計算體積磨損量，低溫稀土硼共滲處理試樣的體積磨損量僅為常規滲硼處理試樣的18.09%。65Mn鋼低溫稀土硼共滲處理后耐磨性的大幅提高，除與滲層表面硬度（1 382.1 HV0.1）比常規滲硼處理（1 246.5 HV0.1）高有關外，主要是因為低溫稀土硼共滲層組織均勻、致密且表層不存在疏松層；但是，其磨痕平均高度較常規滲硼處理略高，因為其基體為回火索氏體（實測該區的硬度為220.3HV0.1）低于常規滲硼處理后基體的組織為珠光體和少量的鐵素體（實測該區的硬度為393.7HV0.1）。

圖5 兩種工藝處理后65Mn鋼與Si3N4陶瓷球對磨后的磨痕形貌

（a）常規滲硼；（b）稀土硼共滲

3 結論

本文通過引入CeO2納米顆粒，對65Mn鋼在700℃下進行稀土硼共滲處理，相對于常規滲硼工藝，獲得更加均勻致密的滲層結構，且未出現常規滲硼處理后所存在的表層與界面區疏松現象。在10%復合肥的土壤中腐蝕168 h后，稀土硼共滲65Mn鋼試樣的滲層表面無裂紋，滲層表面完整致密，耐腐蝕性更好。與Si3N4陶瓷球對磨后，稀土硼共滲試樣磨痕的寬度約為常規滲硼處理試樣的一半，體積磨損量僅為常規滲硼處理試樣的18.09%。

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Rare Earth CeO2 Enhances the Corrosion Resistance and

Wear Resistance of 65Mn Steel Boriding Layer

ZHAO Yu-feng1，2， MIN Byung-won2， WEI Jun3

（1. College of Mechanical Engineering， Nantong Institute of Technology， Nantong 226000， China;

2. Division of Information and Communication Convergence Engineering， Mokwon University，

Daejeon 366100， Korea; 3. College of Mechanical Engineering，

Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract：

At 700°C， rare earth boron co-permeation treatment was applied to 65Mn steel. The microstructure and characteristics of the surface coating were researched using metallographic microscope and energy dispersive spectroscopy （EDS）. The effects on corrosion resistance and wear resistance were analyzed and compared with conventional boron treatment at 850°C. Corrosion and wear experiments were conducted to evaluate the corrosion resistance and wear resistance of CeO2-reinforced 65Mn steel boronized layer in soil environment. The results showed that the structure of the coating became more uniform and dense after introducing CeO2 nanoparticles， which achieved a significant improvement in the corrosion resistance and wear resistance of the boronized layer. The corrosion test results showed that no cracks were found on the surface of the rare earth boron co-permeation coating， and it remained intact and dense with no signs of corrosion at the interface. The wear test results showed that the volume wear of the rare earth boron co-permeation coating was 18.09% of that of the conventional boron treatment.

Keywords：

rare earth boronizing; microstructure; corrosion resistance; wear resistance