·1110 工程科学学报，第40卷，第9期 D=Doexp (-Q/RT) (2) 匀，与基体交界处较为平滑，渗硼层典型的锯齿状形 式中，D。是常数，R是气体常数(8.314J·mol-1· 态不明显0.图3所示为图2(b)的高倍形貌，由图 K-). 3可知在渗层内部，柱状晶特征明显.以上形貌特 征主要是由于GCrl5轴承钢中合金元素含量较高 2试验结果与分析 造成的，在渗硼的过程中，基体中的元素发生了再分 2.1渗层的组织形态与成分 布，其中Cr与C元素在渗层中的溶解度低于基体， 图2所示1123、1173、1223和1323K温度条下 在渗硼处理过程中，在渗层中固溶度小的元素在渗 渗硼处理8h后获得的渗层截面形貌.由图2可知， 硼层前沿发生富集，阻碍了渗硼层的齿状生长， 经渗硼处理后，GC15轴承钢基体表面获得了均匀 同时，合金元素还会对渗层的厚度造成较大影响，增 致密的渗硼层，在整个渗层截面，渗硼层的厚度均 大硼在基体中的扩散激活能，从而减小渗层的厚度. 回 1004m 100m 100um m 图2GC15钢在不同温度下保温处理8h后渗层截面光学显微镜照片.(a)1123K:(b)1173K:(c)1223K:(d)1323K Fig.2 Optical cross-section view of borided GCrl5 steel at different temperatures for 8 h:(a)1123 K:(b)1173 K:(c)1223 K:(d)1323 K 与基体交界处，铁元素的比例上升，硼元素的比例下 降.同时，碳元素由于在渗层中的溶解度小于基体， 发生了向基体的迁移，从表面到内部，碳元素的含量 呈上升趋势.根据渗层分布的基本特征，可以将其 分为3个部分：(1)表面渗硼层：(2)过渡区，其中有 硼元素的固溶：(3)未受影响的基体组织.图5所示 为1123、1173与1323K条件下渗硼处理8h的试样 25m 表面X射线衍射分析结果，由图5可知，渗层表面 的主要相成分为FeB和Fe2B,随着渗层厚度的增 图3GCrl5钢在1173K温度条件下处理8h获得的渗层中柱状 晶形貌 加，表面FeB相的含量上升，FezB相的含量下降，表 Fig.3 Optical cross-section view of columnar morphology of borided 面渗层的相成分对渗层的机械性能有决定性的 GCr15 steel at 1173 K for 8h 影响. 图4所示为1173K条件下保温8h获得渗层的 2.2渗层的厚度与硬度 截面扫描电镜照片及能谱分析情况.由图4可知， 图6所示为1123、1173、1223和1323K温度条 在渗层厚度范围内，硼元素的比例略微下降，在渗层 件下保温2、4、6和8h获得的渗层厚度与处理时间工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 D = D0 exp( － Q /ＲT) ( 2) 式中，D0 是常 数，Ｒ 是 气 体 常 数 ( 8. 314 J·mol － 1· K － 1 ) ． 2 试验结果与分析 2. 1 渗层的组织形态与成分 图 2 所示 1123、1173、1223 和 1323 K 温度条下 渗硼处理 8 h 后获得的渗层截面形貌． 由图 2 可知， 经渗硼处理后，GCr15 轴承钢基体表面获得了均匀 致密的渗硼层，在整个渗层截面，渗硼层的厚度均 匀，与基体交界处较为平滑，渗硼层典型的锯齿状形 态不明显［11］． 图 3 所示为图 2( b) 的高倍形貌，由图 3 可知在渗层内部，柱状晶特征明显． 以上形貌特 征主要是由于 GCr15 轴承钢中合金元素含量较高 造成的，在渗硼的过程中，基体中的元素发生了再分 布，其中 Cr 与 C 元素在渗层中的溶解度低于基体， 在渗硼处理过程中，在渗层中固溶度小的元素在渗 硼层前沿发生富集，阻碍了渗硼层的齿状生长［12］， 同时，合金元素还会对渗层的厚度造成较大影响，增 大硼在基体中的扩散激活能，从而减小渗层的厚度． 图 2 GCr15 钢在不同温度下保温处理 8 h 后渗层截面光学显微镜照片． ( a) 1123 K; ( b) 1173 K; ( c) 1223 K; ( d) 1323 K Fig． 2 Optical cross-section view of borided GCr15 steel at different temperatures for 8 h: ( a) 1123 K; ( b) 1173 K; ( c) 1223 K; ( d) 1323 K 图 3 GCr15 钢在 1173 K 温度条件下处理 8 h 获得的渗层中柱状 晶形貌 Fig． 3 Optical cross-section view of columnar morphology of borided GCr15 steel at 1173 K for 8 h 图 4 所示为 1173 K 条件下保温 8 h 获得渗层的 截面扫描电镜照片及能谱分析情况． 由图 4 可知， 在渗层厚度范围内，硼元素的比例略微下降，在渗层 与基体交界处，铁元素的比例上升，硼元素的比例下 降． 同时，碳元素由于在渗层中的溶解度小于基体， 发生了向基体的迁移，从表面到内部，碳元素的含量 呈上升趋势． 根据渗层分布的基本特征，可以将其 分为 3 个部分: ( 1) 表面渗硼层; ( 2) 过渡区，其中有 硼元素的固溶; ( 3) 未受影响的基体组织． 图 5 所示 为 1123、1173 与 1323 K 条件下渗硼处理 8 h 的试样 表面 X 射线衍射分析结果，由图 5 可知，渗层表面 的主要相成分为 FeB 和 Fe2 B，随着渗层厚度的增 加，表面 FeB 相的含量上升，Fe2B 相的含量下降，表 面渗层的相成分对渗层的机械性能有决定性的 影响． 2. 2 渗层的厚度与硬度 图 6 所示为 1123、1173、1223 和 1323 K 温度条 件下保温 2、4、6 和 8 h 获得的渗层厚度与处理时间 · 0111 ·