稀土化學熱處理進展

時間：2013-04-23 17:58:49 來源：作者：

閆牧夫劉志儒朱法義

（哈爾濱工業大學）

摘要綜述了哈爾濱工業大學稀土化學熱處理研究和應用成果。包括：稀土滲碳及碳氮共滲、稀土滲氮及軟氮化、等離子體稀土滲氮、稀土滲硼及硼鋁共滲、稀土多元共滲、稀土滲金屬工藝技術；稀土的催化和微合金化機制；稀土化學熱處理過程的數學模型與計算機仿真等。

關鍵詞 稀土化學熱處理催化與微合金化顯微組織機械性能

1．研究簡況

化學熱處理在制造業特別是機械制造業中處于十分重要的地位，但該工藝過程所需的溫度較高，時間較長，并且能耗高。如何降低工藝溫度，縮短周期，減少能耗，同時還能提高處理零件的質量和壽命，這是材料熱處理工作者潛心研究的問題。從開始研究并延續至今形成的“稀土共滲技術”，使該難題逐步得以解決。這是稀土應用于材料科學上的突破，它不僅對化學熱處理，而且對材料的其它表面改性過程也產生了深刻的影響[1-2]。

哈爾濱工業大學的研究者們在1982年首次提出這樣的設想，具有特殊電子結構與化學活性的稀土元素，能否起催化作用并滲入到的鋼的表面層中。該設想首先通過在碳氮共滲過程中加入稀土得到了證實。稀土元素不僅能滲入到鋼的表面，而且象其它元素一樣在表面層中形成了一定濃度梯度，該結果使研究者受到極大鼓舞。在隨后的稀土滲碳及碳氮共滲、稀土滲氮及軟氮化、稀土多元共滲、等離子體稀土滲氮、稀土滲硼及硼鋁共滲、稀土滲金屬等研究中，逐步揭示了稀土對化學熱處理過程的影響規律及作用結果、催滲的宏觀及微觀機制，滲入后對滲層微觀組織與性能的影響等等。主要包括：（1）在相同的化學熱處理條件下，稀土元素的添加可使化學熱處理過程明顯加快；（2）由于稀土原子半徑比鐵原子大40%左右，其滲入后必然引起其周圍鐵點陣的畸變，從而使間隙原子在畸變區富集，當達到一定濃度后即成為碳、氮、硼等化合物的成核核心，繼之沉淀析出細小彌散分布的化合物，且滲層組織細化，因此使滲層性能也得到改善。

2 主要研究成果

2.1 稀土碳氮共滲

研究了860C稀土碳氮共滲動力學，用離于探針測定了滲層中La和Ce的濃度分布，用能譜儀測出了晶界、缺陷、以及晶內等處的La和Ce的含量[3-4]。結果指出，稀土的添加使滲速增加20~30%；稀土滲入到鋼表層中的含量大約為數百個ppm，并且沿滲層形成梯度分布。電子探針分析表明，稀土主要集中偏聚在晶界和缺陷處，晶界與晶內濃度相差幾十倍。對生產條件下經稀土碳氮共滲的拖拉機變速箱齒輪進行檢測，獲得了相同的結果。例如，不加稀土5h所能達到的深度，加稀土后不足4h就能達到。三點彎曲疲勞壽命試驗指出，與傳統工藝相比，稀土碳氮共滲試樣的疲勞極限提高了30MPa。高應力低周疲勞壽命提高一至十幾倍。齒輪臺架接觸疲勞壽命試驗指出，相同試驗條件下，加稀土比不加的提高12~40%[5-7]。

2.2 稀土滲碳

由于碳氮共滲存在“三黑”組織缺陷，因此，研究稀土在滲碳過程中的作用，顯得更為重要。對20CrMnMo、20CrMnTi、20Cr2Ni4A、20鋼等進行了系列稀土滲碳試驗。結果指出，相同條件下，稀土添加使滲速提高20~30%，滲碳溫度愈低稀土的作用愈明顯[8-11]。

在860~880C范圍內，稀土滲碳不僅具有很高的滲速，而且在滲碳層過共析區沉淀析出1m以下細小彌散分布的粒狀碳化物，隨后的淬火過程中馬氏體切變形成時受阻于碳化物顆粒，使該區淬火馬氏體超細化，最后形成具有高強韌性的超細馬氏體，使滲碳層組織和性能得到明顯改善[12-14]。TEM觀察表明[15-16]，碳化物附近由于貧碳而呈位錯型馬氏體，其余部位呈細小片狀孿晶型，這與常規滲碳后高碳馬氏體呈粗大片狀或凸透鏡狀孿晶型有明顯的區別。因此，稀土滲碳組織中因碳化物周圍板條馬氏體的形成，減輕了硬而脆的碳化物對性能的不利影響，而具有較高的強韌性，即稀土滲碳層具有高的耐磨性，彎曲疲勞和接觸疲勞強度[17-21]。以20Cr2Ni4A鋼為例，常規處理工藝滲碳后正火、中溫回火消除殘余奧氏體、二次加熱淬火和低溫回火。該過程不僅能耗高、工序多、周期長，而且變形較大，成本高。在860C下采用稀土高濃度滲碳，過共析區沉淀析出細小彌散分布的碳化物，使奧氏體的穩定性下降，直接淬火和回火后表面硬度為HRC58~60，從而簡化工藝過程[22-25]。齒輪的彎曲疲勞和接觸疲勞結果表明，新工藝較傳統工藝的中值壽命高出近一個數量級，兩個應力水平的均值則高出1.70~25.34，而新工藝較原工藝磨損失重減少1~3倍。稀土滲碳表面層中，沉淀的細小彌散顆粒狀碳化物的基體是以位錯馬氏體為主和細小片狀孿晶馬氏為輔的混合馬氏體。因此，具有良好的強韌性。而二次加熱淬火后未溶碳化物的基體則是高碳的孿晶馬氏體，其脆性較大。這種微觀組織的差異決定了它們之間性能的不同。