稀土化学热处理进展

时间：2013-04-23 17:58:49 来源：作者：

2.3 等离子体稀土渗氮

在等离子体渗氮过程中添加稀土元素，即在较低的温度（450~580℃）及纯扩散控制条件下，钢表面优先形成致密度较高的白亮层（-Fe2~3N和'-Fe4N）时，稀土原子能否扩散进入该化合物层，进而透过它向扩散层中进行扩散，具有重要的理论研究和工程应用价值。如果答案肯定，便可为揭示稀土对离子渗氮的表面相结构影响、渗层增厚动力学规律及稀土的微合金化机制奠定基础。研究了En40B和En19钢在520℃气压为400Pa的25%N2+75%H2的混合气中2~24h脉冲稀土离子渗氮[26-27]。GDS检测结果表明，稀土元素La可以扩散进入-Fe2~3N和'-Fe4N相中，随时间延长，表面La浓度增加，并且可以达到1%以上。XRD结果指出，化合物层中'相的比例对La的扩散有影响，随着该比例的增加，La的扩散速率加快，且呈指数规律变化。用Matano方法分别计算了La 在520C2h和560C24h离子渗氮所形成化的合物层中的扩散系数，结果表明，二者几乎相等；主要原因是两种工艺下对应的化合物层中'的比例明显不同[28-29]。

与常规离子渗氮[30-31]不同，稀土离子渗氮过程中表面氮浓度并不恒为常数，随时间延而增加，并且表面相结构由2h的单一的-Fe2~3N相逐渐转变为-Fe2~3N和'-Fe4N双相；当渗氮时间小于4h时，稀土元素La对化合物层增厚的催渗效果并未显现，超过4h后，化合物层的生长被明显加速。与无稀土添加比较，经7h脉冲稀土离子渗氮后化合物层被增加45%。金相组织观察表明，稀土离子渗氮后化合物层较厚且致密，扩散层组织弥散细小，渗氮温度越高其作用越明显[26]。

2.4 稀土气体软氮化及渗氮

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。

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。

2.5 稀土多元共渗

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。

2.6 稀土渗硼及硼铝共渗

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。