study on the plasma surface borosiliconizing
liu yuanfu
（beijing university of aeronautics and astronautics）
liu xueben
（sheng li petroleum general skilled workers′school）
abstract：smearing the coating material compounded with a definite pro portion on the inside wall of 45 steel tube,then scanning the surface with ordi nary pressure plasma beam according to a definite process parameter,the helical harden zone with about 3 millimeter is obtained.the composition and microst-r ucture of the harden layer are investigated by electron probe and transmission e lectron microscopy.the results show that the penetrating depths of boron,sili con and cerium are different one another.the microstructures of the harden layer are needle-like marten site and intermetallics which are composed of boron,silicon and cerium.the microhardness and tribologica l properties of the harden layer are measured.the results show that the gradient of the microhardness is reasonable.tribological property,corrosion property and contact fatigue strength are improved obviously.after scanning,the surface roug hness,the size and the form of the cylinder are nearly invariable.
key words：plasma beam,heat treatment,alloying, process parameter,surface modification
近年来，国内外普遍在研究、探索用激光、电子束、等离子束等高能量束对材料进行热处理，其中包括表面改性以及整体热处理。高能粒子束能在瞬间放出巨大的能量，实现超快速加热。又由于加热层比较薄，可以迅速向内部基体传递热量，因而可以极快地冷却，在零件的表面建立很高的温度梯度，可获得常规热处理和一般快速加热(如高频等)所无法获得的组织(如微晶、准晶、非晶等)，使得被处理材料具有独特的性能，因而三束(激光束、电子束、等离子束)并称80年代热处理领域世界十大成就之一。
作为另一种高能粒子束的电子束与激光有许多相似之处，因而与激光同时在比较中生 存和发展。但是， 电子束设备的价格同激光设备一样昂贵。因此，到目 前为止，电子束设备还没有大范围内地推广、应用。而作为“三束”之一的等离子束，因 具有高的导电导热性、较大的冲击力、参数调节范围广等特 性。作者选择了常压等离子束作为材料表面改性的热源。
试验方法
1. 试验材料
选用原始正火态的45号钢热轧无缝钢管，内径90mm，壁厚15mm，长300mm。
2. 涂料的成分
na2sio3，b4c，sic，ceo2及机油按一定比例调成膏剂涂敷于钢管表面。图1为等离 子表面多元共渗处理示意图。
3. 等离子表面多元共渗处理原理
如图1所示，工件作定轴旋转，等离子炬作直线运动。试验在dqw-1型等离子扫描专用机床 上完成。其试验条件为：
等离子气体：氩气；气流量：0.5m3/h；工作电压：30v；工作电流：65a；喷嘴直径：2.5mm；扫描线速度：0.564m/s；等离子炬进给速度：0.015m/s。
图1 等离子表面多元共渗示意图
4. 金相、显微硬度、成分、透射电镜观察
等离子束扫描处理后的钢管内表面形成螺旋状硬化带。沿钢管径向取样，经研磨抛光后，用3%硝酸酒精腐蚀，然后在金相显微镜下观察。显微硬度及成分分析均在该金相试样上完成。在所取的金相试样上，沿着与扫描平行的方向将共渗合金层与基体分离，并将该合金层经机械预磨后用金相砂纸磨成厚度为0.05mm左右的薄片，冲成直径为3mm的圆片，经双喷电解减薄仪电解抛光穿孔后，在透射电镜上观察。实验所用检测设备名称及型号为：jxa-733型电子探针；05卧式光学金相显微镜；日产津岛m型显微硬度计；mtp-1型双喷电解减薄仪；h8010型透射电子显微镜。
5. 磨损试验
选用mm200型摩擦磨损试验机。被测试样和对磨试样均做成直径40mm的圆轮。被测试样其中1只采用与钢管处理时相同的涂料和工艺参数，用等离子束扫描，另1只采用830℃淬火，4 00℃回火处理。对磨轮选用淬火回火处理的gcr15钢。加载98n，干摩擦。相对滑动速度0.4 2m/s。
6. 表面粗糙度及变形量的测定方法
钢管经扫描处理后，用双管显微镜测量表面粗糙度，用内圆千分表测量钢管内径尺寸和不圆度。
试验结果及讨论
1. 合金化层及表面淬火组织形貌观察及讨论
图2为扫描处理后的显微组织形貌。可见到表层有明显的月牙状白亮层，该层为组织细化区，为富含硼、硅等合金元素的极细针状马氏体组织，硬度可达hv0.1882(约为hrc66) 。 向内过渡层组织粗化，为板条状马氏体。内部基体为正火态的珠光体、铁素体混合组织。 |
图2 等离子表面多元共渗显微组织
本试验采用的等离子束流中心温度可达104k以上，属于常压热等离子体。弧柱中电子、正离子、中性粒子之间的热碰撞十分激烈，基本达到热平衡状态。金属表面在这一高能粒子束的作用下，加热部位瞬间达到接近熔点(通过调节扫描速率等工艺参数，得到未熔化的光洁表面)，而心部仍为室温，利用心部对表层的热传导，实现自激冷淬火。由于扫描速率极快，加热部位在等离子束流高温区停留时间很短，奥氏体晶粒来不及长大；另外，由于等离子体加热引起表层碳的固溶度显著增加，使其ms点下降，导致表层滞后于次层发生m相变， 次 层对表层产生很大压力，奥氏体发生强烈塑性变形；同时高密度带电粒子轰击有可能影响 奥氏体的形核行为，因而淬火后表层得到细化的组织。
2. 合金化层成分分析的结果及讨论
对试样沿垂直于扫描表面的方向进行成分分析，扫描共渗层中 ，b，si在表层的含量最高，向内逐渐减少，而ce的最高浓度区在次表层，其峰值距表面 深达280μm。按照常规化学热处理，合金化表层形成过程由渗剂的分解→吸收→界面→反应→扩散5个阶 段组成。同常规化学处理相似，合金元素是以气态原子吸附吸收然后渗入的。当炽热的等离 子束流对金属涂层表面进行扫描时，首先接触到的是导热性差的涂料层。涂料中的大多数成 分在上万度的温度作用下，瞬间气化，并部分廛胁到等离子束流中。各种成分还会进一步生 成粒子或离子。这些活性粒子或离子，随之又急速碰撞金属 表面，与加热到高温状态的基体组织发生快速的反应与扩散。各种粒子或离子相互之间，以 及它们与基体之间存在着热、电物理作用，加上超高温催化化学作用，又产生了不同于 常规化学热处理的反应与扩散机制，进而产生了异常的成分、组织 。可以想象，金属表面在如此特殊的环境中会形成大量的超 高浓度的非平衡晶体缺陷。表面原子的碰撞是1个接连的过程，即1个高能原子的碰撞会引 发众多原子的接连碰撞。接连碰撞导致了大量的间隙原子和空位的产生。这些缺陷和高能原 子的级连碰撞，为渗剂元素中原子的快速扩散进入基体内部提供了有利的环境。
3. 合金化层透射电镜微观形貌观察
图3是合金化层的透射电镜显微形貌。图中两相成黑白相间分布，经选区电子衍射，标定为 马氏体(图3中暗条)和fe3(si，b)，图3中亮条。图4，5为共渗合金层中新生成的合金 层的显微形貌及选区电子衍射结果。图4为块状组织，外形规则，内部为大量挛晶。经选区 电子衍射，标定为feb相。图5为椭球状组织，经选区电子衍射，标定为fe3b。该相为等离 子扫描共渗条件下产生的合金相结构，在以往的常规渗硼工艺中未见过任何报道。
图3 共渗合金层tem形貌与选区电子衍射花样
图4 新生成相(feb)的tem形貌与选区电子衍射花样
图5 新生成相(fe3b)的tem形貌与选区电子衍射花样 |
4. 对合金层显微硬度的观察及讨论
等离子束扫描合金化层由表及里硬度呈一定梯度分布，如图6所示。表面硬度最高，这是由于b，si等合金元素的固溶强化，第2相(feb，fe3b，fe3si，b)强化、细晶强化、马氏体相变硬化等综合作用的影响，从而使其具有较高的耐磨性。由于自激冷淬火的作用，在合金硬化层之下的过渡区为板条状马氏体组织，也有较高的硬度，约为hrc55，整个硬层 深度可达0.3mm左右，内部基体为原始的正火态组织，硬度较低。这样，由表层到基体形成了一个合理的硬度梯度。研究表明，硬化试样表面疲劳破坏的形式是剥落，裂纹是在次表层萌生的。由于过渡区有较高硬度值，而且按应力分析，过渡区正处于最大残余压应力状态下，显然，在此种状态下对抑制过渡区裂纹的形成，提高工件接触疲劳强度，延长使用寿命是十分有利的。
5. 磨损试验结果 |
图6 合金化显微硬度梯度
图7 磨损试验结果
由图7可知，经离子表面多元共渗处理其耐磨性与830℃淬火、400℃回火处理后相比有着明显的提高。
6. 表面粗糙度及变形量测量结果
钢管扫描处理后，经测量，表面粗糙度基本保持处理前的水平，不平直度在0～0.01mm范围内 ，形状及尺寸的变化与处理前相比也很小。经多次试验证实，工件经等离子扫描 处理后仅需精珩，即能够满足使用要求。
结 语
1. 钢管经等离子表面多元共渗处理后，其硬度、耐磨性、耐蚀性、接触疲劳强度都有了 显著提高。用该项技术处理后的工件基本不降低原来的表面粗糙度、基本不变形。因此，完 全可以将该技术进行材料表面改性。
2. 该项技术与激光表面淬火或激光表面合金化相比，在保证产品质量的同时，具有设备 投资省、操作维修方便，适用范围广等优点。
3. 可进一步考虑采用等离子扫描硼-铝、硼-铬共渗，在不降低表面硬度的前提下生产 出耐蚀性强的工件。
刘元富（北京航天航空大学 100083）
刘学本（胜利石油技工总校 257019）
参考文献
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