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稀土化學(xué)熱處理進(jìn)展

時(shí)間：2013-04-23 17:58:49 來(lái)源：作者：

閆牧夫劉志儒朱法義

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

摘要綜述了哈爾濱工業(yè)大學(xué)稀土化學(xué)熱處理研究和應(yīng)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(shù)；稀土的催化和微合金化機(jī)制；稀土化學(xué)熱處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真等。

關(guān)鍵詞 稀土化學(xué)熱處理催化與微合金化顯微組織機(jī)械性能

1．研究簡(jiǎn)況

化學(xué)熱處理在制造業(yè)特別是機(jī)械制造業(yè)中處于十分重要的地位，但該工藝過(guò)程所需的溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)，并且能耗高。如何降低工藝溫度，縮短周期，減少能耗，同時(shí)還能提高處理零件的質(zhì)量和壽命，這是材料熱處理工作者潛心研究的問(wèn)題。從開(kāi)始研究并延續(xù)至今形成的“稀土共滲技術(shù)”，使該難題逐步得以解決。這是稀土應(yīng)用于材料科學(xué)上的突破，它不僅對(duì)化學(xué)熱處理，而且對(duì)材料的其它表面改性過(guò)程也產(chǎn)生了深刻的影響[1-2]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究者們?cè)?982年首次提出這樣的設(shè)想，具有特殊電子結(jié)構(gòu)與化學(xué)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(shè)想首先通過(guò)在碳氮共滲過(guò)程中加入稀土得到了證實(shí)。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(jié)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(duì)化學(xué)熱處理過(guò)程的影響規(guī)律及作用結(jié)果、催滲的宏觀及微觀機(jī)制，滲入后對(duì)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(xué)熱處理?xiàng)l件下，稀土元素的添加可使化學(xué)熱處理過(guò)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?chē)F點(diǎn)陣的畸變，從而使間隙原子在畸變區(qū)富集，當(dāng)達(dá)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(xì)小彌散分布的化合物，且滲層組織細(xì)化，因此使?jié)B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(dòng)力學(xué)，用離于探針測(cè)定了滲層中La和Ce的濃度分布，用能譜儀測(cè)出了晶界、缺陷、以及晶內(nèi)等處的La和Ce的含量[3-4]。結(jié)果指出，稀土的添加使?jié)B速增加20~30%；稀土滲入到鋼表層中的含量大約為數(shù)百個(gè)ppm，并且沿滲層形成梯度分布。電子探針?lè)治霰砻�，稀土主要集中偏聚在晶界和缺陷處，晶界與晶內(nèi)濃度相差幾十倍。對(duì)生產(chǎn)條件下經(jīng)稀土碳氮共滲的拖拉機(jī)變速箱齒輪進(jìn)行檢測(cè)，獲得了相同的結(jié)果。例如，不加稀土5h所能達(dá)到的深度，加稀土后不足4h就能達(dá)到。三點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)指出，與傳統(tǒng)工藝相比，稀土碳氮共滲試樣的疲勞極限提高了30MPa。高應(yīng)力低周疲勞壽命提高一至十幾倍。齒輪臺(tái)架接觸疲勞壽命試驗(yàn)指出，相同試驗(yàn)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(guò)程中的作用，顯得更為重要。對(duì)20CrMnMo、20CrMnTi、20Cr2Ni4A、20鋼等進(jìn)行了系列稀土滲碳試驗(yàn)。結(jié)果指出，相同條件下，稀土添加使?jié)B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(nèi)，稀土滲碳不僅具有很高的滲速，而且在滲碳層過(guò)共析區(qū)沉淀析出1m以下細(xì)小彌散分布的粒狀碳化物，隨后的淬火過(guò)程中馬氏體切變形成時(shí)受阻于碳化物顆粒，使該區(qū)淬火馬氏體超細(xì)化，最后形成具有高強(qiáng)韌性的超細(xì)馬氏體，使?jié)B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(cuò)型馬氏體，其余部位呈細(xì)小片狀孿晶型，這與常規(guī)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(qū)別。因此，稀土滲碳組織中因碳化物周?chē)鍡l馬氏體的形成，減輕了硬而脆的碳化物對(duì)性能的不利影響，而具有較高的強(qiáng)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(qiáng)度[17-21]。以20Cr2Ni4A鋼為例，常規(guī)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(guò)程不僅能耗高、工序多、周期長(zhǎng)，而且變形較大，成本高。在860C下采用稀土高濃度滲碳，過(guò)共析區(qū)沉淀析出細(xì)小彌散分布的碳化物，使奧氏體的穩(wěn)定性下降，直接淬火和回火后表面硬度為HRC58~60，從而簡(jiǎn)化工藝過(guò)程[22-25]。齒輪的彎曲疲勞和接觸疲勞結(jié)果表明，新工藝較傳統(tǒng)工藝的中值壽命高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)，兩個(gè)應(yīng)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(xì)小彌散顆粒狀碳化物的基體是以位錯(cuò)馬氏體為主和細(xì)小片狀孿晶馬氏為輔的混合馬氏體。因此，具有良好的強(qiáng)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。

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