稀土化學熱處理進展

時間：2013-04-23 17:58:49 來源：作者：

2.7 稀土滲鎢和滲鉬

純鐵和耐熱鋼在1000~1200C真空稀土鎢和稀土鉬共滲動力學研究結果表明[41-42]，稀土的加入使滲鉬和滲鎢層的厚度提高15~20%，滲層組織為柱狀晶；改性層的抗燒蝕和冷熱疲勞性能顯著提高。電子探針結果指出，稀土的滲入深度與柱狀晶層厚度相當。組織觀察發現，冷熱循環過程中柱狀晶層并不發生在結晶，并且靠近柱狀晶層的晶粒被顯著細化。關于稀土加快置換式原子擴散的機制及其作用機理尚有待滲入研究。

2.8 稀土化學熱處理過程的數學模型與計算及仿真

用仿形積分、有限差分和解析方法建立了常規和稀土滲碳、滲氮、滲金屬等過程的數學模型，包括表面濃度增長、增重和滲層厚以及滲層中濃度分布的數學模型；獲得了傳遞系數的計算方法同時也推導出了擴散系數計算的理論模型。基于上述數學模型[9,41-53]，對稀土滲碳、滲氮滲鉬和滲鎢等過程滲入元素的分布進行了計算機數值模擬，仿真結果與實測結果相吻合。

2.9 稀土催滲化與微合金化機制

化學熱處理可以概括為3個元過程：①滲入元素活性原子的產生與供給；②界面反應與滲入原子的傳遞；③滲入原子在鋼中的擴散。大量試驗和計算提供的數據證明，稀土在化學熱處理的三個元過程均扮演了重要角色，現簡述如下。

（1）稀土促進滲入介質的分解[54-56] 以滲碳為例，在滴注式和吸熱式可控氣氛中加入稀土，在其它條件不變的條件下，借助氧探頭可以觀察到爐氣碳勢被明顯增高10~20%。廢氣燃燒顏色也有明顯變化，由加入前的淡青色向加入后的淺桔黃色變化。爐氣分析指出，這與爐氣中的甲烷含量和一氧化碳相應增高有關。爐氣中甲烷含量適度增加與爐氣碳勢的提高，有助于滲碳速度的提高。基于爐氣分析數據，計算了08F鋼在900C的滴注式氣氛中有無稀土添加時的表面碳活度，結果表明，稀土添加使表面碳活度提高25.9%。

（2）稀土強化界面反應[57-58] 化學熱處理過程中滲入介質與工件表面的界面反應是一個復雜的物理化學過程，用傳遞系數來表征界面反應的綜合結果，即擴滲元素由氣相向工作表面傳遞的能力，它應是淺層化學熱處理過程的控制因素。計算結果表明，稀土的添加明顯提高傳遞系數增大。例如，20鋼在900C碳勢1.10%下氣體滲碳過程中，稀土添加使提高117%。實際上，稀土原子滲入Fe的表面后，引起周圍Fe點陣的畸變，使Fe原子的表面能急劇上升，增加了捕捉C、N、B等原子的驅動力，從而使值度增大。

（3）稀土促進原子的擴散及其微合金化[59-62] 滲層的薄厚與擴散元素在鋼中的擴散系數D有關。按滲入元素濃度分布或滲層曾厚動力學數據進行計算，可以獲得滲入的稀土原子對擴滲元素擴散系數的影響。用Matano方法計算了8620鋼在900C碳勢1.10%條件下滲碳表層中碳的擴散系數，稀土添加較無稀土添加的擴散系數提高50%以上。

前已敘及稀土在共滲過程中能夠滲入鋼的表面，并沿晶界、缺陷等特殊通道以較快速度向內部擴散，不僅建立起由表及里的濃度梯度，同時也建立起晶內與晶界的濃度梯度，稀土原子在由表及里擴散的同時，也會由晶界通過空位向晶內完整晶體部份擴散，這樣晶體內部必有微量稀土。能量計算指出，大原子半徑的稀土只能以單個原子或雙原子的方式經過空位進行擴散，因而只能在完整晶體內部形成稀土的稀固溶體。這是稀土在共滲過程中往鋼中擴散的模式及分布形態。由于稀土原子周圍的Fe點陣發生畸變，C、N、B等間隙原子將在畸變區偏聚，從而形成氣團，當這些原子在化學位的驅動下掙脫氣團后將會沿這個特殊的通道向前快速擴散，使擴散元素的擴散系數提高。當氣團中的C、N、B等達到一定濃度時又將成為化合物形核的核心，進而沉淀析出細小彌散的碳氮化合物，從而細化滲層組織，改善滲層各種性能，這就是稀土改善微觀組織和提高滲層性能的微觀機制。