低温固体渗硼的动力学分析

　　低温渗硼是指在钢的临界点(Ac1)以下温度的渗硼，特别是在钢的回火温度进行渗硼，能改善渗层性能、降低能耗和减少工件畸变，从而可将渗硼工艺应用于对精度与耐磨性都有特殊要求的零件[1]。选择合适的渗剂可以有效提高硼原子在低温下的活性和渗硼层浓度，增加渗硼层深度，使渗层组织趋于均匀、致密，提高耐磨性，使材料的低温渗硼质量大为改善[2]。本文根据动力学理论，分析了低温固体渗硼的可行性，为研制低温固体渗硼剂提供理论依据。

　　在钢件的低温固体渗硼过程中，硼原子由介质中向工件表面传输，经表面吸并收扩散至钢件内部，这一过程包括下述4个分过程:

　　(1)介质中发生化学反应产生硼原子或BF₃、BCl₃等主要气相物质;

　　(2)介质中的外部扩散;

　　(3)气相硼原子被活化和BF₃、BCl₃等气相物质被工件表面吸附并产生界面反应;

　　(4)进入工件表层的硼原子向工件内部扩散。这4个分过程中，低温渗硼速度决定于速度最慢的控制分过程[3]。

　　1 渗硼介质中的化学反应

　　渗硼剂中的固态物质一般直接在钢件表面生成硼化物Fe2B或FeB的机率很小，尽管有人认为B₄C以下述反应式(1)～(4)生成Fe的硼化物FeB和Fe₂B在热力学上是可能的[2]。但由于这种纯固态条件下反应产生的原子难以进行扩散，因而从动力学角度看是不可能的。

　　渗硼工艺过程的实质是，粉末介质通过化学反应产生气态介质，产生的硼原子或起渗硼作用的气态介质与钢铁工件表面接触并产生渗硼效果。据此现在普遍认为粉末渗硼实质上仍是一种气相介质渗硼。

　　粉末渗硼介质有多种成分，介质中发生的化学反应也有多种。1979年，陈汉鸣提出在298K和1000K的反应共有34个[4]。1983年，孟秀玉列出了固体渗硼过程中可能发生的化学反应及其自由能变化共39个[5]。1983年，江宁等提出了13个固体渗硼反应式[6]。2003年，章为夷通过试验研究提出了9个化学反应式[7]。这些反应式有些是重复的，且这么多反应方程式到底有哪些在固体渗硼中确实发生尚难以确定。另外，固体渗硼过程中发生的反应是多相反应，而且在渗硼过程中往往是几个化学反应同时发生，这些反应式中存在多少独立变量，如何达到平衡，这些情况非常复杂，令人难以揣测。此外，根据这些反应方程式的自由能数值难以判定反应的方向和确定起决定性作用的化学反应，尤其是在特定的渗硼温度下确定反应的自由能往往难以做到。

　　笔者对这一问题的处理是根据几十个反应式中的主要反应，着重研究这些反应在渗硼温度下的自由能值△G，以△G的负值达到-41.84kJ作为热力学分析的判据[8]。尽管这是一种估计，但目前在材料改性化学热处理中已被人们所接受。