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发表于 2007-12-24 07:01:32
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来自: 中国山东聊城
纯Fe试样在560C下经20h软氮化处理后,离子探针分析结果表明,在离表面数百微米处,仍能检测出稀土La[32-35]。说明稀土原子可以在-Fe中作远程扩散,并具有一定的扩散能力和速度。用0.08mm厚的08钢箔在560和600C下不同时间取样,用等离子光量计定量测定了钢箔中的稀土含量,渗入的稀土量随时间基本呈抛物线规律变化。由此初步计算了稀土在钢中的扩散激活能。结果表明,稀土比铁原子的自扩散激活能约小1个数量级。利用20CrMnTi钢软氮化后剥层分析数据,也进行了类似的计算,结果与上述数据十分接近。由扩散激活能可以判断,稀土在钢中只有沿晶界、亚晶界、相界面、晶体缺陷等进行扩散才有可能。只要借助于化学位的驱动,就能使稀土原子以较快速度沿着上述特定的通道进行扩散。TEM观察表明,在稀土原子周围铁的畸变区,沉淀析出更加细小弥散分布的"(Fel6N2),且形貌也发生变化。渗剂中稀土添加量对20钢软氮化层的相结构有明显影响,当500ml甲醇中稀土添加量达到40g时,白亮层中-Fe2~3N比例达到最大[36]。这种微观组织的变化,不仅使渗层硬度提高HV100-200,而且脆性也明显减小;渗层的其它性能,如抗腐蚀性能、耐磨性能、弯曲疲劳和接触疲劳寿命均可提高30%以上,且韧性不降低。
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通过对系列钢的软氮化和气体渗氮的研究表明,稀土添加可使渗速提高20~50%[37],视材料及工艺条件而不同。例如,微型发动机曲轴材料(40Cr、40CrNiMo)的稀土软氮化,新工艺较传统工艺渗速提高约30%,表面硬度提高HV150。" z! j6 s* v4 ^; n8 y4 a. a
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2.5 稀土多元共渗
& O7 F: d% e5 n3 e0 M" g* Y8 A高速钢在550C下经2~2.5h气体C-O-N-B-稀土多元共渗的结果指出,层渗和硬度因稀土元素的加入而提高[38-39]。XRD和能谱分析表明,多元共渗过程中在钢的表面形成了稀土化合物REFe2、REFe3、CeC2和CeB2C4;La和Ce可以扩散进入钢的表面,并且在表面层中形成了明显的稀土分布,表面的La和Ce的浓度分别为0.96和1.29%。这也进一步证实,渗入钢中的稀土原子可以作为核心,形成稀土碳化物和金属间化合物,从而达到改善表面层的组织和性能的目的。7 U, ]/ g/ C% p2 |- Q8 |! d; X* p
, K q0 Q( e% O% s* o2.3 稀土渗硼及硼铝共渗 0 m& n& M4 ?3 H6 x* ~, B) L
研究了纯铁、45和3Cr2W8V钢在890~950C稀土对渗硼及硼铝共渗动力学、渗层组织和性能的影响[40]。结果指出,稀土添加明显加快了渗硼和硼铝共渗速度,890较950C催渗效果明显,但并不改变渗层增厚动力学规律;同时渗层内硼化增多,且硼化物齿的形态整齐而致密。利用电子探针测出了稀土、铝和碳沿渗层的分布,稀土的存在改变了钢中C的分布状况,即降低了碳在齿谷中的浓度梯度。相同热疲劳次数下,稀土硼铝共渗较常规硼铝共渗层萌生裂纹数量多,但裂纹深度浅,且疲劳裂纹细密,从而提高了热疲劳寿命。渗入表面层中的稀土原子周围铁晶格畸变区的存在,促进了B等间隙原子在此偏聚,以降低系统的能量,结果成为硼化物的形和中心。稀土硼铝共渗层具有高的残余压应力和硬度,因此可以抵消部分由于热变形而产生的拉应力,延缓了裂纹的萌生和扩展速度,并且所产生的微小裂纹起到了松弛应力的作用。
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3 ]6 w P% U. N$ f2.7 稀土渗钨和渗钼
0 Z2 A+ u h l9 C$ y- I纯铁和耐热钢在1000~1200C真空稀土钨和稀土钼共渗动力学研究结果表明[41-42],稀土的加入使渗钼和渗钨层的厚度提高15~20%,渗层组织为柱状晶;改性层的抗烧蚀和冷热疲劳性能显著提高。电子探针结果指出,稀土的渗入深度与柱状晶层厚度相当。组织观察发现,冷热循环过程中柱状晶层并不发生在结晶,并且靠近柱状晶层的晶粒被显著细化。关于稀土加快置换式原子扩散的机制及其作用机理尚有待渗入研究。
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+ E8 @; O9 N) B# o# ] s$ x) D2.8 稀土化学热处理过程的数学模型与计算及仿真
8 B: m( a* ~4 m1 z& [/ X' D4 ^用仿形积分、有限差分和解析方法建立了常规和稀土渗碳、渗氮、渗金属等过程的数学模型,包括表面浓度增长、增重和渗层厚以及渗层中浓度分布的数学模型;获得了传递系数的计算方法同时也推导出了扩散系数计算的理论模型。基于上述数学模型[9,41-53],对稀土渗碳、渗氮渗钼和渗钨等过程渗入元素的分布进行了计算机数值模拟,仿真结果与实测结果相吻合。
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9 j2 l: ^9 B) B4 x$ R- X2.9 稀土催渗化与微合金化机制 |
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