固体渗硼在石油机械中的应用研究

张庆廷

（国家石油机械产品质量监督检验中心（江苏），建湖 224700）

固体渗硼在石油机械中的应用研究

张庆廷

（国家石油机械产品质量监督检验中心（江苏），建湖 224700）

本文主要介绍固体渗硼原理及渗硼层组织、性能，并对固体渗硼技术在石油机械中的应用进行研究分析。

渗硼技术 固体渗硼 石油机械

引言

随着工业化建设，机械零件对原材料的性能提出了更高的要求。机械材料包含类别较多，如结构材料、工具材料等，各种材料在实际应用中的主要目的都是保障机械零件能够稳定运行。机械零件失效主要有断裂、腐蚀及磨损三种形式。我国每年在机械零件失效上都会损失较高的经济利益，因此提高机械零件性能，保证产品生产质量，对我国社会经济建设具有重要意义。

1 固体渗硼原理

1.1 固体渗硼过程中所存在的化学反应

固体渗硼主要应用的是固体渗硼剂，供硼剂为B4C，催化剂为KBF4，填充剂为木炭及SiC。固体渗硼有关化学反应能在650～950℃进行，正常情况下是在800～900℃，整个反应温度需要保持5h左右。机械零件在与渗硼剂共同加热后，可以直接进行淬火或者是制冷操作。

渗硼反应基本上都是在高温状态下进行，反应过程中物质状态较为丰富，部分渗硼反应固体、液体和气体状态都会存在，因此渗硼整个反应十分复杂。各种物质之间在发生渗硼反应后，能够让硼原子进入到机械零件内，形成硼化合物。

现阶段的固体渗硼工作，已不再是简单的Fe2B的渗硼，往往是获得双相渗层。在双相渗层反应中，所得到的材料在硬度方面性能提高较为显著，但是剥落倾向性也会显著提升。能够进行渗硼反应的原材料种类较多，例如结构钢、工具钢等。对渗硼反应造成影响的因素也较多，如反应时间、碳含量等。

1.2 渗硼层形成的机理

渗硼反应是硼原子进入各种机械零件内的过程。硼原子与机械零件材料在一定温度下形成的化合物层，就是渗硼层，整个渗硼流程可看作是多个步骤形成。

渗硼层形成主要可以分为3个步骤，首先是供渗剂内的硼原子向机械零件表面转移，其次机械零件表面形成硼化合物，最后是渗硼层的生长。整个渗硼层形成可分为两个阶段，分别是金属表面阶段与次表面阶段，即硼原子向机械零件内部渗透的过程，反应时间、温度和反应物有着紧密关联[1]。

2 渗硼层组织及性能

2.1 渗硼层的组织结构

对FeB相图进行研究可发现，整个渗硼过程是由表面依次向内进行的，分别是Fe、Fe2B、过渡层、内部基体组织。渗硼化学反应要是在900℃以上进行，硼化合物内有可能出现FeB等相。正是由于碳合金化合物在硼化物内的溶解性较低，在整个渗硼反应过程中，硼化合物在形成时，机械零件内的碳及其化合物会逐渐从机械零件内渗透出来，在反应结束后，硼化合物周围会形成扩散层[2]。

2.2 渗硼层的性能

硼在与铁反应形成化合物时，主要形成物相有两种，分别是高硼相与低硼相。高硼相主要指的是FeB，低硼相则指的是Fe2B。两种物相在不同条件下具有的特点存在一定差异。机械零件内的渗硼层基本上都是由高硼相和低硼相混合而成，渗硼层的性能由组合物相互影响形成，在各种组合物中对于渗硼层性能影响最大的就是铁硼相。机械零件渗硼层主要特点如下。

2.2 .1 高硬度及高耐磨性

铁硼化合物自身具有良好的硬度，因此钢铁在经渗硼工艺处理后，自身表面硬度会提高，正常情况下，铁硼化合物的耐磨性能要远远优越于渗碳或渗氮。

2.2 .2 高热硬性

铁硼化合物化学结构十分稳定，因此自身具有良好的热硬性。机械零件在经过渗硼反应后，只要在800℃下使用，就能保证良好的高硬度，机械零件工作稳定性能得到保证。

2.2 .3 良好的高温抗氧化性及抗蚀性

渗硼反应是发生在高温状态下，在反应过程中机械零件形成铁硼化合物，对于机械零件进行保护，让整个氧化反应速度显著下降，经渗硼处理后的机械零件都具有良好的抗氧化性[3]。

3 冷却对钢管单一渗硼后组织和性能的影响

钢抽油管由于所需经济成本较低，在石油机械内广泛应用，但由于钢抽油管工作环境较为复杂，钢管的性能远远无法达到预期结果。固体渗硼在实际应用中能显著提高钢管的耐磨性与耐腐蚀性，但是硼反应会对钢管脆性造成一定影响，使钢管的抗拉强度无法达到有关标准。

3.1 显微组织

钢管在发生渗硼反应后，渗硼层主要由FeB与Fe2B构成。在对于渗硼层显微组织进行研究后，发现钢管主要分为硼化物层、过渡区域和基体三个部分。渗硼层呈现锯齿状，这种化学结构能紧密与渗层相连接。钢管冷却过程中，保温时间得到有效延长，这样对于渗硼层与基体之间结合十分有利。

硼原子对于固体溶液内溶解度较低，但在有关化合物内的溶解度却较高。渗硼反应主要通过供硼剂形成硼原子，使硼原子能进入到钢管内。在钢管过渡区内，所含的珠光体数量较多，主要原因是钢管内的碳被硼原子挤压出来，进而造成钢管内层具有较多的珠光体[4]。

在对不同冷却方式状态下的钢管显微组织研究可发现，任何一种冷却方式造成的结果主要有两种，分别是黑色珠光体与白色铁素体，但由于珠光体与铁素体含量间存在一定差异。冷却时间缩短时，钢管内层晶粒直径会逐渐减小。

3.2 力学性能

对固体渗硼后的钢管进行纤维分析，渗硼层硬度基本上在1220～1600HV，基体硬度远远高于1600HV。对不同冷却方式下的渗硼与未渗硼力学性能研究中，发现渗透后钢管的抗拉强度和屈服强度都低于未渗透钢管性能，主要原因是渗硼层在形成过程中出现开裂情况。

3.3 拉伸断口

在对渗硼钢管与未渗硼钢管冷却处理研究中，机械零件在断裂过程中，会形成较多的裂纹。不同断裂类别的特点也存在一定差异，断裂方式由材料类别的不同而不同。就以多晶体金属材料来说，主要可以分为脆性断裂-断裂前几乎不产生显著塑形变形与韧性断裂-断裂前发生显著塑形变形[5]。渗硼钢管与未渗硼钢管在拉伸断口上面最为显著差异为，渗硼钢管拉伸断口较大，属于脆性断裂，但未渗硼钢管拉伸断口较小，属于韧性断裂。

4 结语

石油机械零件工作环境较为复杂，在工作中常会受到硬质颗粒或腐蚀物质影响，这就需要石油机械零件具有良好的耐磨性及耐蚀性。渗硼是目前提高钢件耐磨性最有效的工艺方式，在20世纪80年代就逐渐开始应用到石油机械中。对于渗硼方法应用研究中，最为成功的就是固体渗硼，这种渗硼方法在应用中不需要专业设备，因此得到广泛应用。本文对固体渗硼在石油机械中的应用进行研究，还存在一定不足，仅供参考。

[1]邱万奇，熊成，孙歌，等.固体渗硼在热锻模具中的应用进展[J].机电工程技术，2016，（9）：1-6.

[2]刘建建，陈祝平.膏剂渗硼及其研究现状[J].电镀与精饰，2011，（7）：24-28.

[3]周旸.Cr结构钢渗硼动力学的研究[J].机械设计与制造工程，2013，（11）:79-83.

[4]谢飞，朱丽曼，程健，潘建伟.交流电场作用下的中低碳钢低温粉末法渗硼[J].常州大学学报：自然科学版，2015，（1）：41-45.

[5]赵景浩，罗宏.球墨铸铁粉末渗硼的耐蚀性能研究[J].热加工工艺，2014，（12）：166-169，180.

The Application of Solid Boronization in Petroleum Machinery

ZHANG Qingting
(National Petroleum machinery products quality supervision and Inspection Center (Jiangsu), Jianhu 224700)

This paper mainly introduces the principle and the microstructure and properties of boronizing layer solid boronizing, and the application of solid boriding technology in petroleum machinery in the research and analysis.

boriding technology, solid boronizing, petroleum machinery