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《金屬熱處理雜志》2015年第十一期

灰鑄鐵由于其良好的鑄造性能、機械加工性能和低成本，使其廣泛應(yīng)用于發(fā)動機、機床、模具等生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是玻璃模具，目前廣泛采用鑄鐵制造。玻璃模具通常與1100℃以上熔融玻璃接觸，并驟冷驟熱，導(dǎo)致模具高溫氧化和熱疲勞;反復(fù)開模、合模過程，使其產(chǎn)生磨損。因此，性能優(yōu)異的玻璃模具應(yīng)具有較好的抗氧化、耐磨性能，但灰鑄鐵的抗高溫氧化性能和高溫耐磨性不佳，國內(nèi)外通常使用合金鑄鐵、蠕墨鑄鐵等制造模具，這些材質(zhì)的使用不但提高了模具成本，還降低了模具鑄造、機加工、導(dǎo)熱性能。已有研究表明，對鑄鐵表面進行滲硼后能提高其耐磨性能，但對滲硼工藝的研究并不深入，有關(guān)滲硼對抗氧化性的影響少有報道。本文對玻璃模具用灰口鑄鐵進行滲硼，研究了滲硼溫度和時間對滲硼層厚度的影響，并探討了滲硼對其耐磨性和抗氧化性的影響。

1試驗材料及方法

1．1試驗材料基體材料選用玻璃模具常用的灰鑄鐵，其化學(xué)成分如表1所示。滲硼試樣尺寸為25mm×10mm×10mm，滲硼劑為商用固體顆粒滲硼劑。

1．2滲硼處理滲硼處理前，試樣經(jīng)200、400號砂紙打磨至表面平整光滑，經(jīng)丙酮溶液清洗、電吹風(fēng)干燥，等待裝樣。將滲硼劑在真空保溫干燥箱中烘干10h，溫度為100℃。滲硼容器為40mm×100mm坩堝，裝樣時，試樣與坩堝壁及底部保持10mm以上距離，與上部保持20mm以上距離，完成后坩鍋用耐火泥密封。將裝樣坩鍋放入550℃的加熱爐(DRZ-5-12型箱式電阻爐)中保溫20min，避免耐火泥高溫開裂。再將其隨爐升溫到850、900、950℃，透燒0．5h，分別保溫2、4、6h，取出空冷到室溫。

1．3滲硼層分析與性能測試使用ProgResCS光學(xué)顯微鏡和JSM-6460LV掃描電鏡，觀察滲硼層的組織形貌并測量其厚度，厚度根據(jù)平均法計算［12］。使用DX-2500X射線衍射儀(CuKα射線、35kV、20mA)分析滲硼層的物相組成。將滲硼及未滲硼的灰鑄鐵試樣用FA2004N電子天平稱量后，放入充分干燥的剛玉坩鍋中。將坩鍋放入850℃爐中加熱72h后，隨爐冷卻至室溫并稱試樣質(zhì)量。用平均氧化增量速度作為抗高溫氧化性能評價標(biāo)準(zhǔn)。使用HVS-1000型顯微硬度計測量滲硼試樣從表面到心部的硬度值，間隔距離為10μm，載荷為200g，保荷時間為15s。使用HSR-2M摩擦磨損試驗機進行磨損試驗，對磨試樣為淬火處理的GCr15鋼珠，加載載荷為50N，加載時間為10min，滾珠運動速度為200r/min。磨損試樣使用NanoMap500LS表面輪廓儀測量其磨損體積，使用SEM觀察磨損后的表面形貌，將磨損體積和磨損表面微觀形貌作為耐磨性能評價標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)果與分析

2．1滲硼工藝對滲層厚度影響圖1為滲硼工藝對滲層厚度的影響圖。由圖1可知，滲層厚度隨滲硼溫度升高、滲硼時間延長而增加且滲層厚度隨溫度升高并非呈線性增加。由滲硼機理可知，滲層的形成有兩種途徑:一是活性硼原子直接擴散;一是硼的氣態(tài)化合物與鋼鐵材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。研究表明，滲硼溫度、滲硼時間和滲層厚度可以通過以下動力學(xué)方程表示。式中:ε為滲層厚度;τ為滲硼時間;T為滲硼熱力學(xué)溫度;R為氣體常數(shù);Q為擴散激活能;K0、Q取決于基體材料和滲硼劑常數(shù)。由動力學(xué)方程可見，在滲硼時間不變情況下，隨著溫度升高，滲層厚度增加。在滲硼溫度不變的情況下，滲層厚度隨時間變化呈拋物線型，故滲硼時間不能過長。

2．2滲層微觀分析圖2為950℃×4h工藝滲硼層形貌。從圖2(a)滲硼層表面形貌看，滲層致密，較平整。從圖2(b)截面形貌看，鑄鐵滲硼層是以針齒狀的模式由內(nèi)向外生長，滲層從外到內(nèi)分別是:硼化物層、過渡區(qū)和基體。硼化物層呈針齒狀并以長短不齊的方式楔入基體，與基體形成較強的結(jié)合。滲層中存在少量疏松，這是由于高溫條件下材料在表面有較多的“空位”，空位在硼化物定向生長過程中被驅(qū)趕形成空洞。鑄鐵中因碳、硅含量較高，而這些元素不能溶于硼化鐵中，在滲硼過程中它們擴散到基材中，富集在硼化層下，形成顆粒狀的第二相，形成具有較高碳濃度的過渡區(qū)。圖3為950℃×4h滲硼試樣滲層表面X衍射分析的結(jié)果。結(jié)果表明，滲硼層主要由Fe2B組成，沒有出現(xiàn)脆硬的FeB相。主要是試驗所用滲硼劑為單相滲硼劑，滲層中硼向基體擴散會使表層硼濃度降低，從而使FeB相轉(zhuǎn)化為Fe2B相。Fe2B相硬度可達1300～1800HV0．2，具有較好耐蝕、耐磨及抗高溫氧化性能。

2．3性能測試結(jié)果及分析

2．3．1硬度及磨損性能測試圖4為滲硼層硬度隨層深變化情況。結(jié)果表明，滲硼試樣表面硬度最高，達到1253HV0．2。從滲硼層經(jīng)過渡區(qū)至基體，顯微硬度逐漸減小，由于過渡區(qū)中富碳，存在較多的第二相，使?jié)B層硬度變化較平緩。圖5(a)為灰鑄鐵試樣和滲硼試樣磨損體積對比，由圖可知，滲硼后鑄鐵表面的耐磨性提高1．50倍。圖5(b，c)為兩種試樣的SEM磨損形貌。通過觀察可知，灰鑄鐵磨損表面有典型的組織撕裂現(xiàn)象，屬于粘著磨損，而滲硼試樣表面較光滑，沒有明顯的磨損痕跡。這主要是因為灰鑄鐵材料較軟，在遇到硬質(zhì)的磨粒時易發(fā)生粘著，導(dǎo)致材料表面撕裂剝落;而滲硼后的試樣硬度高，因而抗磨粒磨損性好。此外，滲硼層致密且與基體嵌合，也使其具有更高的耐磨性。

2．3．2抗氧化性測試圖6(a，b)為滲硼處理前后灰鑄鐵試樣經(jīng)高溫氧化后的表面宏觀形貌，可見，未經(jīng)處理的灰鑄鐵表面脫落嚴(yán)重，經(jīng)950℃×4h滲硼的試樣表面無明顯氧化。對滲硼處理前后灰鑄鐵試樣平均氧化速率計算，結(jié)果見圖6(c)，可見，灰鑄鐵經(jīng)滲硼處理后，平均氧化速率降低，其抗氧化能力顯著增強。本試驗條件下，灰鑄鐵滲硼處理后抗氧化性能提高3．19倍。文獻［17］認為，700℃以下時，鑄鐵中只有鐵會被氧化;溫度接近700℃時，則會發(fā)生石墨的氧化，此時鐵也被氧化;工作溫度超過700℃時，則主要發(fā)生的是石墨的氧化，石墨氧化的產(chǎn)物CO和CO2又將與鐵發(fā)生反應(yīng)，進一步促進鑄鐵的氧化。灰鑄鐵經(jīng)滲硼處理后表面形成了連續(xù)致密的硼化鐵，硼化鐵對氧化性氣體起到了阻礙作用，降低了氧化性氣體進入基體的可能性;高溫條件下，鑄鐵表層形成的硼鐵化合物能和氧反應(yīng)生成B2O3，使氧化過程停止或降低到極其緩慢的程度，大大提高了試樣高溫抗氧化性能。

3結(jié)論

1)灰鑄鐵經(jīng)固體滲硼后，其滲硼層由Fe2B單相組成;滲硼層呈針齒狀嵌入基體。滲硼層的厚度隨著滲硼溫度的升高和滲硼時間的延長而增加。2)灰鑄鐵經(jīng)滲硼后顯微硬度可達1253HV0．2，其耐磨性和抗氧化性顯著提高，分別是灰鑄鐵的1．50倍和4．19倍。

作者：葉宏 喻文新 閆忠琳 單位：重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶理工大學(xué) 工程訓(xùn)練與經(jīng)管實驗中心