Cr12型冷作模具钢渗硼工艺研究(3)

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1.2 Cr12型冷作模具钢的渗硼研究

基于冷作模具钢的工作特点，其需要高的硬度、耐磨性、红硬性以及优良的抗腐蚀性，采用传统的热处理方法很难完全满足以上要求，而采用渗硼技术，不仅可以在钢件表面获得性能优良的渗硼层，还可以降低成本、节约能源。

Cr12型冷作模具钢可以采用固体渗硼、液体渗硼和电化学渗硼等，而最常用的是固体渗硼，渗硼温度一般在800-1000℃之间，渗硼时间为2-9h，常用渗剂如表2所示，而具体采用何种配方，应该根据钢种、渗硼工艺、渗层厚度确定[12]。

表2 常用的渗剂配方

配方号供硼剂活化剂填充剂

1 15%硼砂 8%KBF4+3.5%Al 石墨

2 40%硼铁 8%KBF4+4%氯化铵+2%硫尿碳化硅

渗硼以后，渗层主要由化合物层、过渡层、基体组成，而三者的厚度比例、形貌、元素组成取决于渗硼工艺的选择。

钢件渗硼后，硼化物通常呈齿状与基体牢固结合，但因钢件的含碳量、合金元素含量及种类、渗硼方法、渗硼剂活性以及工艺规范的不同，可能得到不同的渗硼层组织和形貌。对于Cr12型冷作模具钢渗硼，由于这类钢属于高碳高合金钢，在渗硼过程中，碳和合金元素阻碍硼原子的扩散，使硼化物的择优生长受到限制，从而导致硼化物齿状平坦化或基本没有齿状，也使得渗硼层变薄、渗硼层与基体的结合力降低、脆性增大。

钢件渗硼后，渗硼层主要由FeB、Fe2B两相组成，由于这两种硼化物的物理化学性质不同（如表3所示），加上渗硼层较薄、渗层与基体的机械结合、渗层中网状碳化物、大量的疏松孔洞等，使得渗层脆性增大、韧性减小。而Cr12MoV、Cr12Mo1V1渗硼后，渗层中主要有FeB、Fe2B、CrB、Cr2B相，同时也会有(Fe,Cr)2B和各种含铬碳化物；另外，渗层的过渡区较薄，且与基体没有明显的分界线。在渗硼过程中，钢中大部分合金元素不能溶于硼化物而被排挤到过渡层中，从而形成各种取代碳化物，这些碳化物的高硬度增强了基体的支撑作用，减小了渗层硬度梯度，使得渗层稳定性增加、不易剥落，抗冲击性能也有一定的提高。

表3 FeB、Fe2B性能比较

性能

组织熔点/℃ 硬度/HV0.1 膨胀系数（200～400℃）密度/g·cm2

FeB 1550 2000-2300 2.3×106/℃ 6.75

Fe2B 1389 1400-2000 7.85×106/℃ 7.43

针对Cr12型冷作模具钢渗硼后渗层薄、脆性大的特点，人们主要从渗剂选择、现有工艺优化、开发新的工艺着手研究，特别是开发新的渗硼工艺如二元共渗、多元共渗、硼-稀土共渗等。Cr12MoV钢硼-稀土共渗后，渗层厚度增大，疏松孔洞减少，致密度提高，韧性增加，再经一定温度的淬火+回火，耐磨性大幅度提高。除了采用硼-稀土二元共渗或者多元共渗以外，还常采用渗前热处理、渗后热处理、低温渗硼、共晶化处理、离子注入等。Cr12MoV钢渗硼后进行共晶化处理，可以减缓渗层与基体的性能变化（如硬度，强度等），使渗层与基体形成冶金结合，从而减小工件表观脆性。低温渗硼能使渗层表面疏松孔洞减少，如果在渗硼时，稀土和渗剂的量适量增加，渗层厚度基本不变，而渗层会更稳定，结合力会更大。钢件渗硼后，对渗层进行离子注入处理，可以显著改善渗层脆性，使渗层硬度大幅度提高，耐磨性、抗腐蚀性增强，如离子注入氮。渗后热处理也很重要，钢件渗硼后进行一定温度的保温，可以减少表面FeB相的量，使其转化为Fe2B相，另外，可以促进硼及其他元素的扩散，减小这些元素的浓度梯度，使渗层综合性能得到改善。