3.5 滲硼

滲硼是將鋼件置于含硼介質中，在加熱條件下，通過它們之間的化學或電化學反應，使硼原子滲入鋼件表層、形成硼化物的工藝過程。工件滲硼后，有時還要經過淬火和回火處理。

工具鋼的滲硼層具有高硬度（1200～2200HV）、高耐磨性、良好的熱硬性，在硫酸、鹽酸、磷酸、鹽水和強堿液中有良好的耐蝕性。近年來，國內對滲硼工藝進行了大量的研究，并廣泛地應用于工業生產，提高了工模具、耐磨損件的使用壽命，在用碳鋼經滲硼處理來代替價格較貴的高碳高合金鋼等方面具有較顯著的效果。

滲硼件的選材一般不受鋼種的限制，但硅的質量分數大于1%者不宜作滲硼處理。

硼在鐵中的溶解度極低，在912℃時，α-Fe中硼的質量分數為0.002%，γ-Fe中的質量分數為0.001%；在共晶溫度，γ-Fe中硼的質量分數為0.02%左右。硼在鐵中的溶解度超過極限值后，鋼鐵表面將形成硼化物。硼原子半徑為0.082μm，略大于碳原子（0.077μm）和氮原子（0.0075μm）。因此，過渡族金屬形成的化合物也具有復雜的晶體結構，硬度高且穩定性好，高于相應的碳化物或氮化物。硼與鐵形成FeB和Fe₂B兩種化合物，它們的物理性能見表3-23。Fe₂B脆性較小，FeB脆性較大。

表3-23 硼化物的物理性能

鋼中溶入微量的硼，能顯著提高鋼的淬透性，滲入少量硼的滲硼過渡區也能提高淬火后的性能。硼以間隙固溶方式溶于α-Fe中，形成含硼鐵素體，能以間隙和置換兩種方法溶于γ-Fe中，形成含硼奧氏體。因此，硼在奧氏體中的擴散速度高于在鐵素體中的擴散速度，故滲硼在高溫奧氏體相區內進行。凡縮小奧氏體相區的元素，如Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al等，都減緩硼在鐵中的擴散系數，減小滲硼層的厚度。硼與這些元素形成合金硼化物。鋼中同時溶入碳和硼時，將出現硼化物和含硼碳化物。FeB和Fe₂B中不溶解碳，但可出現Fe₃（C、B）和Fe₂₃（C、B）6型兩種碳化物。硼在Fe₃（C、B）中最多可置換80%的碳原子，而不會改變滲碳體的晶體結構。Fe₂₃（C、B）6相在965℃以上不穩定，因此965℃以上溫度滲硼后，滲層中不會出現Fe₂₃（C、B）6相。

按使用介質的物理狀態，滲硼可分為固體滲硼、液體滲硼、膏劑滲硼、氣體滲硼和電解滲硼等。

3.5.1 固體滲硼

固體滲硼有兩種：粉末滲硼和膏劑滲硼。固體滲硼溫度為800～950℃，保溫2～6h。常用粉末滲硼配方及工藝見表3-24。

膏劑滲硼：滲硼劑用固體滲硼粉末與粘結劑調制而成。在欲滲硼工具表面涂上厚1～2mm的滲硼劑，裝箱加熱或在保護氣氛中加熱保溫。膏劑滲硼既保持了固體滲硼的優點，又可減少滲硼劑的消耗量，還易于局部滲硼，特別適用于模具的表面強化。常用膏劑配方及滲硼工藝見表3-25。

表3-24 粉末滲硼配方及工藝

表3-25 常用膏劑滲硼配方及滲硼工藝

（續）

3.5.2 鹽浴滲硼

鹽浴滲硼有許多優點：可通過調整滲硼鹽浴的配比，來控制滲硼層的組織結構、深度和硬度；滲層與基體結合較牢；工件表面粗糙度不受影響；工藝溫度較低；滲速比固體法快；設備和工藝操作簡便。但鹽浴滲硼也有缺點；鹽浴流動性較差，工件表面殘鹽的清洗比較困難。該工藝方法在國內廣為應用，在工模具等方面的應用已經獲得顯著的經濟效益。

鹽浴滲硼劑種類多，鹽浴成分有不同配方，主要類型有如下三種：

（1）以硼砂為基、碳化硅為還原劑的配方 這類配方成本低廉，鹽浴穩定性好，可獲得單相的Fe₂B滲層；但流動性稍差，工件沾附殘鹽較多，清洗較困難。經900～1000℃×1～5h滲硼處理后，可得到0.06～0.35mm深的滲層。在滲硼過程中發生以下化學反應：

Na₂^B4O7+2SiC→Na₂O·2SiO₂+4B+2CO 2CO+O₂→2CO₂

（2）以硼砂為基、鋁粉為還原劑的配方 這種配方的鹽浴流動性較好，活性強，不需頻繁更換新鹽，滲層為雙相組織。但鹽浴偏析較大，有分層，使用過程中應多攪拌，要常撈渣。

（3）以硼砂或堿金屬的氯化物為基、加入碳化硼或硼鐵的配方 這種鹽浴配方的滲硼能力強，流動性較好，較易清洗；但碳化硼和硼粉價格昂貴。

可作為還原劑的還有硅鈣、硅鐵、錳鐵、稀土等物質。在熔融的硼砂中加氯鹽或碳酸鹽等助熔鹽類，可使滲硼溫度降到700℃左右。常用鹽浴滲硼配方及工藝見表3-26。

表3-26 常用鹽浴滲硼配方及工藝

鹽浴滲硼主要設備是由井式加熱爐和坩堝組成，爐溫的均勻性直接影響滲硼產品的質量，而坩堝的使用壽命關系到產品的成本和生產率，值得關注。

滲硼前工件表面必須磨光，工件表面狀態也會影響到滲硼質量。因此，應根據工件的具體情況采取相應的去污措施，裝爐時工件及夾具上不得帶有水分。

鹽浴滲硼一般在850～1000℃范圍內進行，滲硼時間根據所需滲層的厚度而定。總之，滲硼鹽浴黏度較大，滲硼后在工件表面將有殘鹽存在，如何有效地清洗大批量滲硼工件上的殘鹽，是鹽浴滲硼的關鍵工序之一。對于經含有硼砂組分鹽浴滲硼的工件，最好是在中溫鹽浴（50%BaCl₂+50%NaCl）中清洗之后直接淬火，或空冷至室溫再轉入沸水中煮0.5～1h。對于質地較疏松的殘鹽，只需在沸水中煮幾分鐘即可，如果在沸水中加入質量分數為1%左右的Na₂CO₃，則清洗效果會更好。

3.5.3 氣體滲硼

將被處理的工件置于二硼烷或三氯化硼和氫等氣體中（BCl₃/H₂比值隨溫度而異，選用BCl₃/H₂=0.05時效果最佳），滲硼溫度為750～900℃，保溫時間為2～6h，可獲得0.05～0.25mm厚的滲層。采用850℃×3～6h的工藝，效果較好。滲硼層的厚度隨鋼中碳含量提高而降低。氣體滲硼工藝見表3-27。

表3-27 氣體滲硼工藝

氣體滲硼的優點是滲層均勻；滲硼溫度范圍寬，滲硼后工件表面清洗方便。但由于二硼烷不穩定且有爆炸危險，此工藝尚需進一步完善。

3.5.4 電解滲硼

電解法液體滲硼是將工件插入電解槽中，電解質為熔融的硼砂及少量碳化硅或硼酐。工件為陰極，石墨為陽極，也可直接用電解槽為陽極。在外界電源作用下，熔融的硼砂發生熱分解和電解反應：

Na₂^B4O7→Na₂O+2B₂O₃ Na₂B₄O₇→2Na+N₄O₇^2-

在電解過程中，陽極上有如下反應并形成硼酐2B4O72--4e→4B2O3+O2，在陰極（工件）上6Na++6e→6Na，在工件上析出鈉，一部分浮在熔鹽表面被燃燒，另一部分將硼酐（B₂O₃）還原成活性硼原子，即6Na+B₂O₃=3Na₂O+2[B]

[B]被工件表面吸收、擴散，形成硼化物層。硼化物層的組成主要與滲硼溫度、時間、電流密度及鋼的化學成分有關。電解滲硼工藝見表3-28。

表3-28 電解滲硼工藝

電解滲硼使用的原料成本低廉，滲硼速度快，可在較低的溫度下進行，并且還可以通過調整電參數控制滲硼厚度，適用于形狀簡單的零件。形狀較為復雜的工件，因各部位的電流密度不勻，滲硼層厚度也不均勻。工件的一邊朝向陽極，另一邊朝向陰極，高溫下易發生變形。在滲硼過程中，隨著陽極的不斷消耗，電流密度下降，硼化層變薄。此外，由于熔融的硼砂對金屬坩堝的浸蝕作用，坩堝壽命短。如果坩堝材料的合金元素溶入鹽浴，則鹽浴會逐步降低滲硼能力，且滲硼工件的清洗也較困難。鑒于此，電解滲硼的應用受到了限制。

3.5.5 其他滲硼法

除了固體滲硼、鹽浴滲硼、氣體滲硼、電解滲硼外，還有電熱旋流層滲硼、流態床滲硼及離子滲硼等。

（1）電熱旋流層滲硼 這是一種新的化學熱處理方法。把導電粒子與固體滲硼劑混合后與工件一起放在臥式旋轉爐里，然后通直流電或交流電。爐子旋轉時，混合粒子隨之旋動，粒子間相互碰撞，使電路時通時斷，產生微電弧，生成大量的熱使電弧附近微觀體積內的混合粒子和工件的局部溫度急劇升高，混合物中的一些成分被分解、蒸發、升華，反應生成大量的活性硼原子，被工件表面吸收并向內擴散，形成硼化物層。這種滲硼方法可顯著提高滲硼速度。

電熱旋流層滲硼法屬于內熱法，通過導電粒子產生的微電弧加熱滲劑和工件。微電弧造成零件表面局部高溫，滲速快，熱損失少，提高了熱效率。用50%石墨粉（質量分數）、40%碳化硼和10%脫水硼砂，在臥式旋轉爐中進行滲硼，升溫階段電壓為220V，電流為2～3A。隨著爐溫的上升，電流自動增大，調節電壓，使電流不超過30A。在10min內能達到500℃，隨后在3min內能達到950℃，調節電壓，保溫15min后能獲得50～60μm單相Fe₂B硼化物層。

（2）流態床滲硼 將固體滲硼劑和碳粒混合，置于流動粒子爐中進行加熱，實現滲硼（滲劑組分：石墨、Na₂B₄O₇、B₄C等），獲得滿意效果。

（3）離子滲硼 在離子滲碳爐中通入B₂H₆、B₂H₆+H₂或BF₃+H₂進行滲硼，均可得到較好的硼化物層；但也存在著氣源問題，難于走向工業化生產。