20CrMnTi鋼表面稀土硼碳共滲層組織及性能

白公民

瓦房店軸承集團有限公司技工學校 遼寧瓦房店 116300

1 序言

20CrMnTi鋼作為一種低合金鋼，常用于制造承受高速重載及耐沖擊耐磨齒輪及軸類等零件。為了滿足零件外硬內韌的使用性能要求，需要對20CrMnTi鋼進行滲碳、滲硼等表面強化處理。滲碳是20CrMnTi鋼常用的表面處理方法，但是滲碳層硬度有限，且滲碳后進行磨削加工會降低齒輪的彎曲疲勞強度[1]。滲硼因其滲層具有較高的硬度（Fe2B相：1290～1680HV；FeB相：1890～2340HV）、良好的耐磨性能，尤其是其抗磨粒磨損性能優于滲碳和滲氮層，高的熱硬性和抗高溫氧化性能及較高的耐蝕性能，因此其廣泛應用于各種耐磨件表面處理[2]。研究表明，同單一滲碳齒輪相比，碳硼復合滲齒輪具有較高的接觸疲勞強度及良好的抗擦傷、抗膠合能力[3]。在保證滲碳層、滲硼層質量和深度的前提下，如果碳硼共滲層能承受足夠的彎曲疲勞應力，則可以滿足重載齒輪高性能要求。但是先滲碳、后滲硼的兩步表面處理工藝容易引起零件的變形，故研究人員開始采用碳硼共滲處理方法[4]。稀土元素在鋼中應用廣泛。例如，高碳合金鋼中添加稀土La能改善其高溫抗氧化能力[5]。研究表明，滲硼或滲碳過程中加入稀土，可有效提高氣體滲碳中碳的擴散系數，降低B的擴散激活能[6～8]。但是只有加入適量的稀土，才能在一定程度上對滲層組織性能起到改善作用。對于其他滲層制備條件，齊濤等人[9]研究了共滲溫度及滲劑中Y2O3添加量對Si-Y2O3共滲涂層組織及裂紋的影響。目前，對于稀土合金滲氮研究的關注度較高[10]，但對于稀土碳硼共滲層組織結構的研究很少[11～13]。為此，本文對20CrMnTi鋼在稀土硼碳共滲過程中不同溫度、不同稀土含量條件下形成的滲層組織及性能進行了研究，為其應用提供理論參考和技術支持。

2 試驗材料與方法

試驗中硼碳共滲基體材料為20Cr MnTi鋼，尺寸為φ25mm×6mm。硼碳共滲劑成分為商用滲硼劑70%～80%（質量分數，下同），商用滲碳劑20%，稀土氧化物La2O3（0%、2.5%、5%、10%）。先將試樣表面用砂紙打磨拋光后，再用乙醇超聲波清洗并干燥，然后將試樣埋入混合均勻的硼碳稀土共滲劑。將密封好的滲罐分別在800℃、850℃、900℃箱式電阻爐中加熱保溫8h，隨爐冷卻后將試樣在840℃電阻爐中保溫20min，油冷，然后在185℃烘箱中回火1.5h。具體硼碳共滲工藝參數見表1。

表1 硼碳共滲工藝參數

采用金相顯微鏡對硼碳共滲層斷面組織形貌進行觀察；采用HV-1000CCD型數顯顯微硬度計測量硼碳共滲層表面顯微硬度；利用X射線衍射儀對硼碳共滲層進行物相分析。其中靶材為銅靶，管電壓40kV，管電流100mA，衍射角度20°～ 90°，掃描速度4°/min。采用掃描電鏡及能譜儀分析滲層表面成分及分布。

3 試驗結果與分析

3.1 滲層斷面顯微組織

圖1為不同共滲溫度條件下20CrMnTi鋼表面硼碳共滲層斷面顯微組織。由圖中可以看出，其表面形成了一定厚度的滲碳+滲硼層。其中外層滲硼層顏色較光亮，呈鋸齒狀，并且滲硼層的厚度隨共滲溫度的升高而增加，從800℃時25μm左右增厚到900℃時的75μm左右。溫度越高，滲硼層的齒狀組織越粗大。滲硼層呈鋸齒狀嵌入基體組織中。800℃條件下，滲碳區未見形成明顯的針狀馬氏體組織；900℃條件下，滲硼層外層比較疏松，而850℃共滲層中的滲硼層組織致密，滲碳層形成了針狀馬氏體組織。在850℃條件下，共滲層表面硬度較高，見表2。

圖1 20CrMnTi在共滲溫度下滲層斷面顯微組織

表2 共滲溫度對滲層表面硬度的影響

圖2為不同稀土添加量條件下，20CrMnTi鋼表面硼碳共滲層斷面顯微組織。加入稀土后，使得硼化物的齒形呈現尖針狀楔入基體，與基體結合牢固。滲層連續性、均勻性提高，Fe2B針齒趨于細密直長，齒尖碳化物彌散分布。當稀土含量為5%時，外層滲硼層鋸齒狀組織明顯且致密；當稀土含量增加到10%時，滲硼層厚度減小且鋸齒狀組織嵌入基體較少。當稀土含量為5%時，共滲層表面硬度較高。滲碳層為細針狀馬氏體加彌散分布碳化物，稀土含量較低時，碳化物尺寸較大。當稀土含量達到10%時，滲碳層的細針狀馬氏體彌散分布，碳化物尺寸較小。稀土含量對共滲層表面硬度的影響見表3。

圖2 20CrMnTi鋼在不同的La2O3含量下滲層斷面顯微組織

表3 稀土含量對共滲層表面硬度的影響

3.2 共滲層表面成分

圖3為20CrMnTi鋼表面滲硼層的X射線衍射譜結果，由圖可以看出滲層主要含有Fe2B和α-Fe相。在滲硼過程中，由于硼在20CrMnTi鋼γ相中的溶解度很小，鋼表面的奧氏體很快硼飽和，并形成Fe2B化合物。Fe2B沿[200]晶向的生長速度最快。一些晶粒生長方向不垂直于試樣表面，則易與相鄰晶粒相碰而停止生長。因此，只有那些生長速度快且與試樣表面垂直的晶粒才能不斷地向試樣心部生長，使硼化物層形成擇優取向的晶體結構。稀土的加入影響了Fe2B相晶粒生長的擇優取向。

圖3 20CrMnTi鋼不同稀土含量下滲層表面XRD

850℃×8h、5% La2O3條件下硼碳共滲層表面電鏡形貌及能譜分析如圖4所示。稀土硼碳共滲層表面主要含有Fe、B、La、O、C等元素。對圖中標記處進行點分析發現含有較多的O、La等元素，推斷其為含La的氧化物。這表明稀土進入滲硼層并分布其中，但是XRD未檢測出La及其氧化物或其他化合物譜峰，這可能是由于稀土化合物含量較少，未達到XRD檢出限。

同稀土滲碳時的組織一樣，稀土元素的加入，改善了滲碳層碳化物形貌，降低了碳化物的尺寸，使碳化物在滲碳層中彌散均勻分布。滲碳過程中，稀土滲入表面后，以其為形核中心，增加了碳化物的形核位置，抑制了網狀碳化物的形成，改善了碳化物的形態。試驗中硼碳共滲時，稀土的添加有助于形成細小針狀的滲碳組織，但是形成滲硼層齒狀組織不明顯，深入基體較淺且滲層較薄，滲硼層與滲碳層結合差。因此，試驗中最佳的稀土硼碳共滲工藝為850℃×8h、5% La2O3。

3.3 稀土硼碳共滲機理

圖4 850℃×8h、5% La2O3條件下硼碳共滲層

在滲硼劑中加入稀土La2O3，可以改善滲硼層的質量，通過提高擴散系數和擴散元素的濃度，從而提高滲速，起到催滲作用[14]。在滲硼劑中加入La2O3進行滲硼后，滲硼層的形貌特征變化不明顯，但能改善材料的滲硼層厚度、硬度等性能。同時，稀土在滲碳過程中能夠降低溫度，減少變形，使滲層組織晶粒細化，起到催滲和微合金化作用[15]。在滲碳過程中，稀土氧化物能夠提高界面反應。在硼碳共滲的過程中，與硼原子相比，碳元素在奧氏體中的擴散系數較大，不溶于硼化物中，被其他原子排擠從而向基體內擴散，所以在共滲初期先進行滲碳。在20CrMnTi鋼表面，硼元素的濃度隨碳元素的擴散而增加，并形核長大直至彼此接觸，完全覆蓋于工件表面，此時滲碳結束。而碳元素以碳化物的形式存在于硼化物與基體之間，形成滲碳層，利于基體與共滲層之間的結合。而稀土元素在整個硼碳共滲過程中起到催滲作用[16]。滲層的相組成主要為Fe2B，稀土在硼碳共滲過程中，不但提高了硼原子的擴散，而且能夠促進共滲劑的分解，同時能夠促進活性硼原子的吸附，析出更多的活性B原子，提高Fe2B相與Fe相界面處硼原子的吸附濃度，增加共滲層的深度。對20CrMnTi鋼進行稀土硼碳共滲處理，增加共滲過程中的硼、碳勢和硼、碳通量，稀土元素主要富集于晶界上或其他晶體缺陷處，與其他元素發生反應形成第二相，并影響其他元素原子的擴散及生長，最終使共滲層的馬氏體組織呈針狀，碳化物呈彌散分布，從而改變滲層組織及性能，導致顯微硬度的增加。

4 結束語

本文主要研究了共滲溫度及稀土含量對20CrMnTi鋼表面硼碳共滲層組織及性能的影響，試驗發現隨著共滲溫度的升高，硼碳共滲層厚度逐漸增加，硬度先增加后減小，尤其是滲硼層厚度增加明顯，Fe2B取向性顯著；850℃條件下，隨著稀土含量增加，共滲層表面硬度先增加后減小，當稀土含量為5%時，共滲層厚度為189μm，其中滲硼層厚度近60μm，硬度最大。試驗中硼碳共滲層的最佳制備工藝為850℃×8h、5%La2O3。