稀土化学热处理进展

时间：2013-04-23 17:58:49 来源：作者：

闫牧夫刘志儒朱法义

（哈尔滨工业大学）

摘要综述了哈尔滨工业大学稀土化学热处理研究和应用成果。包括：稀土渗碳及碳氮共渗、稀土渗氮及软氮化、等离子体稀土渗氮、稀土渗硼及硼铝共渗、稀土多元共渗、稀土渗金属工艺技术；稀土的催化和微合金化机制；稀土化学热处理过程的数学模型与计算机仿真等。

关键词 稀土化学热处理催化与微合金化显微组织机械性能

1．研究简况

化学热处理在制造业特别是机械制造业中处于十分重要的地位，但该工艺过程所需的温度较高，时间较长，并且能耗高。如何降低工艺温度，缩短周期，减少能耗，同时还能提高处理零件的质量和寿命，这是材料热处理工作者潜心研究的问题。从开始研究并延续至今形成的“稀土共渗技术”，使该难题逐步得以解决。这是稀土应用于材料科学上的突破，它不仅对化学热处理，而且对材料的其它表面改性过程也产生了深刻的影响[1-2]。

哈尔滨工业大学的研究者们在1982年首次提出这样的设想，具有特殊电子结构与化学活性的稀土元素，能否起催化作用并渗入到的钢的表面层中。该设想首先通过在碳氮共渗过程中加入稀土得到了证实。稀土元素不仅能渗入到钢的表面，而且象其它元素一样在表面层中形成了一定浓度梯度，该结果使研究者受到极大鼓舞。在随后的稀土渗碳及碳氮共渗、稀土渗氮及软氮化、稀土多元共渗、等离子体稀土渗氮、稀土渗硼及硼铝共渗、稀土渗金属等研究中，逐步揭示了稀土对化学热处理过程的影响规律及作用结果、催渗的宏观及微观机制，渗入后对渗层微观组织与性能的影响等等。主要包括：（1）在相同的化学热处理条件下，稀土元素的添加可使化学热处理过程明显加快；（2）由于稀土原子半径比铁原子大40%左右，其渗入后必然引起其周围铁点阵的畸变，从而使间隙原子在畸变区富集，当达到一定浓度后即成为碳、氮、硼等化合物的成核核心，继之沉淀析出细小弥散分布的化合物，且渗层组织细化，因此使渗层性能也得到改善。

2 主要研究成果

2.1 稀土碳氮共渗

研究了860C稀土碳氮共渗动力学，用离于探针测定了渗层中La和Ce的浓度分布，用能谱仪测出了晶界、缺陷、以及晶内等处的La和Ce的含量[3-4]。结果指出，稀土的添加使渗速增加20~30%；稀土渗入到钢表层中的含量大约为数百个ppm，并且沿渗层形成梯度分布。电子探针分析表明，稀土主要集中偏聚在晶界和缺陷处，晶界与晶内浓度相差几十倍。对生产条件下经稀土碳氮共渗的拖拉机变速箱齿轮进行检测，获得了相同的结果。例如，不加稀土5h所能达到的深度，加稀土后不足4h就能达到。三点弯曲疲劳寿命试验指出，与传统工艺相比，稀土碳氮共渗试样的疲劳极限提高了30MPa。高应力低周疲劳寿命提高一至十几倍。齿轮台架接触疲劳寿命试验指出，相同试验条件下，加稀土比不加的提高12~40%[5-7]。

2.2 稀土渗碳

由于碳氮共渗存在“三黑”组织缺陷，因此，研究稀土在渗碳过程中的作用，显得更为重要。对20CrMnMo、20CrMnTi、20Cr2Ni4A、20钢等进行了系列稀土渗碳试验。结果指出，相同条件下，稀土添加使渗速提高20~30%，渗碳温度愈低稀土的作用愈明显[8-11]。

在860~880C范围内，稀土渗碳不仅具有很高的渗速，而且在渗碳层过共析区沉淀析出1m以下细小弥散分布的粒状碳化物，随后的淬火过程中马氏体切变形成时受阻于碳化物颗粒，使该区淬火马氏体超细化，最后形成具有高强韧性的超细马氏体，使渗碳层组织和性能得到明显改善[12-14]。TEM观察表明[15-16]，碳化物附近由于贫碳而呈位错型马氏体，其余部位呈细小片状孪晶型，这与常规渗碳后高碳马氏体呈粗大片状或凸透镜状孪晶型有明显的区别。因此，稀土渗碳组织中因碳化物周围板条马氏体的形成，减轻了硬而脆的碳化物对性能的不利影响，而具有较高的强韧性，即稀土渗碳层具有高的耐磨性，弯曲疲劳和接触疲劳强度[17-21]。以20Cr2Ni4A钢为例，常规处理工艺渗碳后正火、中温回火消除残余奥氏体、二次加热淬火和低温回火。该过程不仅能耗高、工序多、周期长，而且变形较大，成本高。在860C下采用稀土高浓度渗碳，过共析区沉淀析出细小弥散分布的碳化物，使奥氏体的稳定性下降，直接淬火和回火后表面硬度为HRC58~60，从而简化工艺过程[22-25]。齿轮的弯曲疲劳和接触疲劳结果表明，新工艺较传统工艺的中值寿命高出近一个数量级，两个应力水平的均值则高出1.70~25.34，而新工艺较原工艺磨损失重减少1~3倍。稀土渗碳表面层中，沉淀的细小弥散颗粒状碳化物的基体是以位错马氏体为主和细小片状孪晶马氏为辅的混合马氏体。因此，具有良好的强韧性。而二次加热淬火后未溶碳化物的基体则是高碳的孪晶马氏体，其脆性较大。这种微观组织的差异决定了它们之间性能的不同。