稀土化學熱處理進展

時間：2013-04-23 17:58:49 來源：作者：

2.3 等離子體稀土滲氮

在等離子體滲氮過程中添加稀土元素，即在較低的溫度（450~580℃）及純擴散控制條件下，鋼表面優先形成致密度較高的白亮層（-Fe2~3N和'-Fe4N）時，稀土原子能否擴散進入該化合物層，進而透過它向擴散層中進行擴散，具有重要的理論研究和工程應用價值。如果答案肯定，便可為揭示稀土對離子滲氮的表面相結構影響、滲層增厚動力學規律及稀土的微合金化機制奠定基礎。研究了En40B和En19鋼在520℃氣壓為400Pa的25%N2+75%H2的混合氣中2~24h脈沖稀土離子滲氮[26-27]。GDS檢測結果表明，稀土元素La可以擴散進入-Fe2~3N和'-Fe4N相中，隨時間延長，表面La濃度增加，并且可以達到1%以上。XRD結果指出，化合物層中'相的比例對La的擴散有影響，隨著該比例的增加，La的擴散速率加快，且呈指數規律變化。用Matano方法分別計算了La 在520C2h和560C24h離子滲氮所形成化的合物層中的擴散系數，結果表明，二者幾乎相等；主要原因是兩種工藝下對應的化合物層中'的比例明顯不同[28-29]。

與常規離子滲氮[30-31]不同，稀土離子滲氮過程中表面氮濃度并不恒為常數，隨時間延而增加，并且表面相結構由2h的單一的-Fe2~3N相逐漸轉變為-Fe2~3N和'-Fe4N雙相；當滲氮時間小于4h時，稀土元素La對化合物層增厚的催滲效果并未顯現，超過4h后，化合物層的生長被明顯加速。與無稀土添加比較，經7h脈沖稀土離子滲氮后化合物層被增加45%。金相組織觀察表明，稀土離子滲氮后化合物層較厚且致密，擴散層組織彌散細小，滲氮溫度越高其作用越明顯[26]。

2.4 稀土氣體軟氮化及滲氮

純Fe試樣在560C下經20h軟氮化處理后，離子探針分析結果表明，在離表面數百微米處，仍能檢測出稀土La[32-35]。說明稀土原子可以在-Fe中作遠程擴散，并具有一定的擴散能力和速度。用0.08mm厚的08鋼箔在560和600C下不同時間取樣，用等離子光量計定量測定了鋼箔中的稀土含量，滲入的稀土量隨時間基本呈拋物線規律變化。由此初步計算了稀土在鋼中的擴散激活能。結果表明，稀土比鐵原子的自擴散激活能約小1個數量級。利用20CrMnTi鋼軟氮化后剝層分析數據，也進行了類似的計算，結果與上述數據十分接近。由擴散激活能可以判斷，稀土在鋼中只有沿晶界、亞晶界、相界面、晶體缺陷等進行擴散才有可能。只要借助于化學位的驅動，就能使稀土原子以較快速度沿著上述特定的通道進行擴散。TEM觀察表明，在稀土原子周圍鐵的畸變區，沉淀析出更加細小彌散分布的"(Fel6N2)，且形貌也發生變化。滲劑中稀土添加量對20鋼軟氮化層的相結構有明顯影響，當500ml甲醇中稀土添加量達到40g時，白亮層中-Fe2~3N比例達到最大[36]。這種微觀組織的變化，不僅使滲層硬度提高HV100-200，而且脆性也明顯減小；滲層的其它性能，如抗腐蝕性能、耐磨性能、彎曲疲勞和接觸疲勞壽命均可提高30%以上，且韌性不降低。

通過對系列鋼的軟氮化和氣體滲氮的研究表明，稀土添加可使滲速提高20~50%[37]，視材料及工藝條件而不同。例如，微型發動機曲軸材料（40Cr、40CrNiMo）的稀土軟氮化，新工藝較傳統工藝滲速提高約30%，表面硬度提高HV150。

2.5 稀土多元共滲

高速鋼在550C下經2~2.5h氣體C-O-N-B-稀土多元共滲的結果指出，層滲和硬度因稀土元素的加入而提高[38-39]。XRD和能譜分析表明，多元共滲過程中在鋼的表面形成了稀土化合物REFe2、REFe3、CeC2和CeB2C4；La和Ce可以擴散進入鋼的表面，并且在表面層中形成了明顯的稀土分布，表面的La和Ce的濃度分別為0.96和1.29%。這也進一步證實，滲入鋼中的稀土原子可以作為核心，形成稀土碳化物和金屬間化合物，從而達到改善表面層的組織和性能的目的。

2.6 稀土滲硼及硼鋁共滲

研究了純鐵、45和3Cr2W8V鋼在890~950C稀土對滲硼及硼鋁共滲動力學、滲層組織和性能的影響[40]。結果指出，稀土添加明顯加快了滲硼和硼鋁共滲速度，890較950C催滲效果明顯，但并不改變滲層增厚動力學規律；同時滲層內硼化增多，且硼化物齒的形態整齊而致密。利用電子探針測出了稀土、鋁和碳沿滲層的分布，稀土的存在改變了鋼中C的分布狀況，即降低了碳在齒谷中的濃度梯度。相同熱疲勞次數下，稀土硼鋁共滲較常規硼鋁共滲層萌生裂紋數量多，但裂紋深度淺，且疲勞裂紋細密，從而提高了熱疲勞壽命。滲入表面層中的稀土原子周圍鐵晶格畸變區的存在，促進了B等間隙原子在此偏聚，以降低系統的能量，結果成為硼化物的形和中心。稀土硼鋁共滲層具有高的殘余壓應力和硬度，因此可以抵消部分由于熱變形而產生的拉應力，延緩了裂紋的萌生和擴展速度，并且所產生的微小裂紋起到了松弛應力的作用。