摘要：從沖頭磨損的機理分析入手.采用45號中碳鋼.經滲硼處理，提高表面硬度和韌性，可使其使用壽命在原來的基礎上提高6-10倍。

　　壓鑄沖頭所處的工況條件十分惡劣，使用壽命很低。少數工廠采用耐熱合金鋼沖頭，其使用壽命也只有十余個班次。而采用球墨鑄鐵作為沖頭材料其使用壽命則更低。由此因停機而造成的經濟損失，僅以一個中等生產規模的壓鑄單位為例，每年就達數萬元，其中尚未計入如材料、工時及電力消耗等損失。本課題所研究的主要目的，從改變原有的沖頭材料著手，放棄那些性能不夠穩定且又難以及時供應的球墨鑄鐵，改用來源豐富、質量有保證、價格合理、規格統一的45號中碳鋼材料，通過表面強化處理，提高表面硬度和韌性，使其壽命在原來的基礎上提高6-10倍，從而取得了良好的經濟效益和社會效益。

　　1 沖頭磨損的機理分析

　　當兩種材料的表面相對滑動時，由于材料表面原子之間存在著吸力，在其接觸表面會出現粘著現象。當兩個表面緊靠且又沿著法向分離或沿切向移動時，原子吸力傾向于將一個表面材料拉向另一個表面，而形成磨屑，其磨損量的大小，可用J. F. Archard公式加以表達：磨損量(磨損體積V)與載荷L及距離X成正比，而與磨損表面硬度P成反比，即：

　　V=KLX/3P (1)

　　式中：K為磨擦系數。K與潤滑條件、相配的摩擦金屬有關。

　　此外，磨損體積與構成磨擦付材料的不同硬度之間，存在著平方反比關系。如令Vs和Ps分別代表磨擦付中較軟材料的磨損體積和表面硬度;Vh和Ph代表較硬材料的磨損體積和表面硬度，則其間的關系，可按下式表達。

　　(VS/Vh) 2 = (Ph/PS) 2 (2)

　　從摩擦系數K及公式(2)中得知：為了減少粘著磨損，在選用材料時應注意：1)要求減少磨損的表面應選用硬的材料;2)應選用表面之間相互作用小或不相容的配對材料作摩擦付。

　　因此，我們研究工作的重點放在：為了減少粘著磨損，可以通過提高硬度和改變配對材料的種類并使用潤滑劑來解決。

　　2 試驗條件

　　2.1選擇試驗用的工件材料的依據

　　工件(沖頭)采用了45號中碳鋼，此種鋼種屬于調質鋼，最適宜作滲硼處理。其滲硼后的組織表面，可以獲得鋸齒狀的硼化物，與基體結合牢固，耐磨性好，而且還可以通過滲硼后的淬火、回火來提高基體強度。45號中碳鋼的淬火溫度都在840^860℃范圍，與現有的滲硼溫度接近，使滲后的工件可以直接淬火，減少加熱次數、節約能源、降低成本。

　　2.2試驗用的滲劑材料

　　本試驗采用固體粉末滲劑，取其操作簡單方便，不需添置專用設備，滲后容易與工件分離，便于在生產中推廣應用等諸方面的優點。

　　粉末滲劑的主要組成物中計有：碳化硼(B4C)，為提供硼原子的主要來源，以氟硼酸鉀

　　(KBF4)作為活化劑，可加速催滲過程，以碳化硅(SiC)作為載體(填充劑)。

　　固體粉末滲硼原理屬于氣態催化反應的氣相滲硼。氟硼酸鉀是活性很高的成分，在530 0C就可分解，到800 OC即全部分解，其所分解出來的氣態和固態硼化物，都是促進滲硼的重要物質，是提高滲劑活性和參與滲硼化學反應最重要的氣體。在滲硼溫度下由KBF4熱分解所形成的氣態BF3的反應式如下：

　　KBF4>530 0C KF+BF3 ↑

　　BF3在滲硼溫度下與B4C中因氧化而形成的B203發生強烈的還原反應而生成低價的次氧化硼(B202)而促進滲硼過程，即：

　　2 B203 +2BF3 =3B202+3F2 ↑

　　此處的B202是一種極不穩定的氧化物，會按下式分解，形成穩定的B2C3同時釋放出活性硼原子：

　　3B203 =2B203+2 [B]

　　氟硼酸鉀熱分解生成的BF3可與B4C直接產生下列反應，析出硼原子和低價的BF2:

　　2BF3+B4C=3BF2 ↑ +3 [B] +C

　　氟硼酸鉀還與B,C在氧的參與下，直接進行下述化學反應而析出硼原子：

　　2KBF4+B4C+02 =K20+4BF2 ↑+2「B〕+CO ↑

　　以上兩式的反應產物中均有BF2生成，而BF2又因不穩定而分解，析出硼原子。由此可以確定，以B4C為供硼劑的滲劑活性好、滲速快，這也是我們選用滲劑的理論基礎。

　　2. 3試驗的工藝參數

　　一般視零件的具體要求來加以選擇。凡是要求變形小而滲硼層較薄者可在臨界點(ACl)以下進行，反之可再提高滲硼溫度。本試驗中選取的處理溫度為9000C，保溫時間取4小時。

　　2.4工件試樣標準

　　本工件試樣選用最常用的J1113型壓鑄機上的Φ40-0.05-0.08沖頭作為標準，見圖1。

　　2 .5磨耗試樣標準

　　本磨耗試樣采用國家統一標準。

　　3 試驗用的設備規格

　　試驗用的加熱設備系采用上海實驗電爐廠生產的系列產品SX-2-10-1300箱式電爐。磨損試驗機的型號為MM-200。

　　4 滲硼過程中有關工藝的控制

　　4. 1滲硼層厚度的控制

　　滲硼層的厚度的取得，主要取決子滲硼溫度的高低和保溫時間的長短，其間存在著線性關系。以本工件為例，根據其使用條件，并從損壞的零件中分析出其失效的主要形式為粘著磨損，從而得出以提高表面的殘余壓應力、增加韌性及改進耐熱疲勞性能著眼，采取平均的滲硼厚度為70~80微米的單相Fe2B為宜。Fe2B為正方晶體，含硼量為8. 3%，熔點為1389 0C，硬度約為HV1400-2000。

　　4. 2 滲硼前后工件尺寸變化的規律

　　對45號中碳鋼沖頭滲硼前后尺寸變化的規律如表1所示，由表可知：1)沖頭前部的尺寸，滲硼以后，其尺寸變化較大;2)沖頭后部的尺寸，滲硼以后，其尺寸變化較小;3)沖頭滲硼前后尺寸變化的幅度一般為0.022毫米左右。

　　判斷45號中碳鋼經磨削加工后，滲硼前的外徑，要根據原球墨鑄鐵沖頭與壓室配合間隙的要求。在室m下，壓室內徑取Φ40+0. 027, 沖頭外徑為(D 40龍器，相互之間的間隙為0. 077^0. 107毫米，兩者皆受到高溫金屬作用后，前者直徑縮小，后者外徑膨脹，其熱狀態下的間隙大小，無法檢測，只能通過理論計算求得。

　　根據實際使用情況表明，壓室材料按原來的3Cr2W8V鋼，其熱處理工藝不變及尺寸變化規律也恒定。但是沖頭材料及熱處理工藝，由于由球鐵改為45號中碳鋼以后，其熱膨脹量皆起了變化。要使45號鋼沖頭在受熱膨脹以后的外徑恰好與球鐵沖頭受熱膨脹后的外徑相等，則必須滿足以下的條件。即當沖頭的工作溫度如處在180℃，兩種材料的熱膨脹系數分別為：

　　a 45鋼=12.32 ×10-6/0C (在20～2000C)

　　a球鐵=11.85× 10-6/0C

　　由膨脹公式可知：

　　d=d?！?+a(t-t。)]

　　式中：d—最后的直徑，m

　　do—實物的直徑，mm

　　a—熱膨脹系數

　　t—工作溫度，℃

　　to室溫，℃

　　為了達到原生產所要求的配合間隙，則必須使：

　　通過以上計算，說明滲硼后的沖頭外徑應為Φ40-0.053-0.083。根據實際滲硼后所得到的數據中可知，經滲硼后的沖頭，其外徑膨脹了0.022毫米左右，，所以沖頭在加工時經過最后一道磨削加工后，其外徑應控制在。Φ40-0.075-0.105即Φ39.895~39.925毫米范圍內，即可滿足實際生產的需要。

　　4. 3 滲硼層表面耐蝕性

　　滲硼能提高45中碳鋼的耐腐蝕性能，在硫酸、鹽酸、檸檬酸及醋酸的稀釋水溶液中分別提高50, 60, 15及4倍;在KOH及NaOH的水溶液中分別提高4與3.6倍，在NaCl水溶液中提高0.9倍。

　　對于滲硼表面與熔融的純鋁、鋁硅合金及鋅合金等相互作用的結果可參見表2 45鋼滲硼表面與熔融合金的相互作用

　　從以上試驗數據中可知，由于滲硼層表面具有較好的耐腐蝕性和與合金所產生的親和力小，這對沖頭壽命的提高，是有所助益的。因此，滲硼表面只要在700 0C以下的條件下工作，就已可為量大面廣的鋅合金和鋁合金的壓鑄生產創造必要的條件。如果沖頭采用水冷，其工況條件有所改善，對于壽命的提高更加有所裨益。

　　4.4 滲硼試樣與氮化試樣相對磨耗試驗結果

　　磨耗試驗中取氮化后及滲硼后的圓盤試樣，分別代表壓室及沖頭的實際情況，經成對裝機后，在受載50公斤下對磨，每次以測量精度為1/10000的精密天平稱其失重量，以檢驗其磨耗程度。經223889次轉動后稱重，氮化試樣總失重量為0.6782克，而滲硼試樣為1.3414克，即滲硼試樣的磨損比氮化試樣高出一倍，解決了壓室經使用后是否會先期磨損的顧慮，為滲硼沖頭的推廣應用，打下良好的基礎。