宗晓明等：GCrl5轴承钢表面渗硼层生长动力学与机械性能 ·1109· KEY WORDS GCr15 bearing steel:boriding:microstructure:mechanical properties;growth kinetic 为了获得优越的工作性能，表面改性技术在机 1123、1173、1223和1323K条件下分别保温处理2、 械领域的应用日益广泛.渗硼处理做为化学热处理 4、6和8h,达到保温时间后，工件随炉冷却至150℃ 的一个重要分支，其基本原理是通过热扩散，使硼元 出炉，对试样进行清理后，即可进行各项分析测试 素与基体材料进行结合，形成金属间化合物，从而获 工作. 得高硬的表面层，该技术在结构钢、低合金钢、工具 表1GC15轴承钢的化学成分（质量分数） 钢、不锈钢、铸钢及铸铁等材料中己获得广泛的 Table 1 Chemical compositions of GCrl5 bearing steel% 应用- Cr Ni Si Mn Mo S P Fe 根据渗硼处理方式的不同，渗硼技术可以大致 0.951.450.110.190.320.010.010.01余量 分为气态渗、液态渗与固态渗3种.气态渗硼具有 渗层均匀致密、表面质量好、工件渗后无需清理的优 ,试样 点，但存在气体的制备困难、价格昂贵，且有剧毒爆 炸性的危险，目前尚难以被工业生产所采用.液态 陶瓷坩埚 盐浴渗硼具有设备简单，操作方便的优点，但存在工 件清洗困难、坩埚寿命短、盐浴温度均匀性控制困难 渗明剂 的问题.固态渗硼技术因其具有生产效率高、操作 简便、成本低廉的优势，目前工业上获得了最广泛的 密封 应用B).GC15轴承钢是轴承领域应用最广泛的 盖子 钢种，占其总应用量的80%以上圆，尽管渗硼技术 在多种材料基体表面已取得良好的使用效果，但有 关GCl5轴承钢渗硼强化的研究还非常缺乏，尤其 图1工件在陶瓷坩埚中渗硼处理示意图 是针对该种材料的渗硼层生长动力学方面的研究 Fig.I Schematic cross section of the container for pack boriding 渗硼层除了具有高硬度的性能外还具有良好的高温 treatment 稳定性，据报道回，渗硼层在850℃仍然具有很好 1.2组织观察与性能测试 的抗氧化性，该技术在GCl5轴承钢材料中具有很 采用光学显微镜(OLYMPUS)和扫描电镜 好的应用前景 (QUAN TA4O0)对渗层的截面形貌与组织进行观 本文研究了处理温度与保温时间对GCl5轴 察；采用扫描电镜自带的能谱分析功能对渗层的元 承钢渗硼层组织特征与机械性能的影响，并对渗层 素分布进行测量：采用X射线衍射仪(XRD,Si- 的生长动力学特性进行了分析，为渗硼技术在 GCrl5轴承钢方面的应用提供了借鉴. madzu,Japan)对渗层表面的相成分进行测试分析， 分析采用Cu靶，扫描角度20的变化范围为20°~ 1试验材料与方法 90°：采用维氏硬度计(HV1000)对渗层的表面及截 1.1基体材料与渗硼工艺 面硬度分布进行测试，测试力选用0.98N;采用光学 表1所示为试验用GCl5轴承钢的化学成分. 显微镜自带的测量功能对渗层的厚度进行测量，为 试验前，将试样采用线切割方法加工成Φ10mm×10 了减小测试误差，厚度测试采取测量10次求平均值 mm的样块，并采用800目的砂纸对其表面进行处 的方法 理.渗硼处理采用固态渗硼的方法，渗剂组成，质量 1.3动力学分析方法 分数，为B.C(5%),KBF4(5%)与SiC(%90),其 渗硼处理过程中，渗层的生长速度与处理时间 中B,C为供硼剂，KBF4为催化剂，SiC为填充剂，使 呈抛物线关系，可用以下式表示@： 用时，将3种固体粉末均匀混合.渗硼处理时，将渗 d2=Dt (1) 剂与工件填埋于带密封盖的陶瓷坩埚中，盖口处采 式中：d为渗层的厚度，mm;t为处理时间，s:D为与 用耐火泥与水玻璃进行密封，如图1所示.将填埋 处理温度相关的渗层生长速率常数. 好试样的坩埚置入烘干炉中，经150℃下2h烘干 生长速率常数D,扩散激活能Q,和处理温度T 后，将坩埚放入粉末烧结炉中进行后续处理，在 之间的关系可以通过Arrhenius公式表示为：宗晓明等: GCr15 轴承钢表面渗硼层生长动力学与机械性能 KEY WOＲDS GCr15 bearing steel; boriding; microstructure; mechanical properties; growth kinetic 为了获得优越的工作性能，表面改性技术在机 械领域的应用日益广泛． 渗硼处理做为化学热处理 的一个重要分支，其基本原理是通过热扩散，使硼元 素与基体材料进行结合，形成金属间化合物，从而获 得高硬的表面层，该技术在结构钢、低合金钢、工具 钢、不 锈 钢、铸钢及铸铁等材料中已获得广泛的 应用［1--4］． 根据渗硼处理方式的不同，渗硼技术可以大致 分为气态渗、液态渗与固态渗 3 种． 气态渗硼具有 渗层均匀致密、表面质量好、工件渗后无需清理的优 点，但存在气体的制备困难、价格昂贵，且有剧毒爆 炸性的危险，目前尚难以被工业生产所采用． 液态 盐浴渗硼具有设备简单，操作方便的优点，但存在工 件清洗困难、坩埚寿命短、盐浴温度均匀性控制困难 的问题． 固态渗硼技术因其具有生产效率高、操作 简便、成本低廉的优势，目前工业上获得了最广泛的 应用［5--7］． GCr15 轴承钢是轴承领域应用最广泛的 钢种，占其总应用量的 80% 以上［8］，尽管渗硼技术 在多种材料基体表面已取得良好的使用效果，但有 关 GCr15 轴承钢渗硼强化的研究还非常缺乏，尤其 是针对该种材料的渗硼层生长动力学方面的研究． 渗硼层除了具有高硬度的性能外还具有良好的高温 稳定性，据报道［9］，渗硼层在 850 ℃ 仍然具有很好 的抗氧化性，该技术在 GCr15 轴承钢材料中具有很 好的应用前景． 本文研究了处理温度与保温时间对 GCr15 轴 承钢渗硼层组织特征与机械性能的影响，并对渗层 的生长动力学特性进行了分析，为 渗 硼 技 术 在 GCr15 轴承钢方面的应用提供了借鉴． 1 试验材料与方法 1. 1 基体材料与渗硼工艺 表 1 所示为试验用 GCr15 轴承钢的化学成分． 试验前，将试样采用线切割方法加工成 10 mm × 10 mm 的样块，并采用 800 目的砂纸对其表面进行处 理． 渗硼处理采用固态渗硼的方法，渗剂组成，质量 分数，为 B4C ( 5% ) ，KBF4 ( 5% ) 与 SiC ( % 90) ，其 中 B4C 为供硼剂，KBF4为催化剂，SiC 为填充剂，使 用时，将 3 种固体粉末均匀混合． 渗硼处理时，将渗 剂与工件填埋于带密封盖的陶瓷坩埚中，盖口处采 用耐火泥与水玻璃进行密封，如图 1 所示． 将填埋 好试样的坩埚置入烘干炉中，经 150 ℃ 下 2 h 烘干 后，将坩埚放入粉末烧结炉中进行后续处理，在 1123、1173、1223 和 1323 K 条件下分别保温处理 2、 4、6 和 8 h，达到保温时间后，工件随炉冷却至 150 ℃ 出炉，对试样进行清理后，即可进行各项分析测试 工作． 表 1 GCr15 轴承钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of GCr15 bearing steel % C Cr Ni Si Mn Mo S P Fe 0. 95 1. 45 0. 11 0. 19 0. 32 0. 01 0. 01 0. 01 余量 图 1 工件在陶瓷坩埚中渗硼处理示意图 Fig． 1 Schematic cross section of the container for pack boriding treatment 1. 2 组织观察与性能测试 采用 光 学 显 微 镜 ( OLYMPUS ) 和 扫 描 电 镜 ( QUAN TA--400) 对渗层的截面形貌与组织进行观 察; 采用扫描电镜自带的能谱分析功能对渗层的元 素分布进行测量; 采用 X 射线衍射仪 ( XＲD，Shi￾madzu，Japan) 对渗层表面的相成分进行测试分析， 分析采用 Cu 靶，扫描角度 2θ 的变化范围为 20° ～ 90°; 采用维氏硬度计( HV1000) 对渗层的表面及截 面硬度分布进行测试，测试力选用 0. 98 N; 采用光学 显微镜自带的测量功能对渗层的厚度进行测量，为 了减小测试误差，厚度测试采取测量 10 次求平均值 的方法． 1. 3 动力学分析方法 渗硼处理过程中，渗层的生长速度与处理时间 呈抛物线关系，可用以下式表示［10］: d2 = Dt ( 1) 式中: d 为渗层的厚度，mm; t 为处理时间，s; D 为与 处理温度相关的渗层生长速率常数． 生长速率常数 D，扩散激活能 Q，和处理温度 T 之间的关系可以通过 Arrhenius 公式表示为: · 9011 ·