合金結(jié)構(gòu)鋼稀土滲氮及硬度增強(qiáng)機(jī)理的研究

　　滲氮是提高合金鋼表面硬度的常用熱處理工藝。然而，由于時間長、能耗高，很難滿足節(jié)能減排的需要。近年來，通過添加稀土元素來提高滲氮速度和縮短滲氮時間的熱處理工藝引起了學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。滲氮實(shí)踐表明，應(yīng)用稀土滲氮不僅可以加快滲氮速度，降低能耗。而且可以改善氮化層的組織和性能，增強(qiáng)氮化層表面的硬度和耐磨性。然而，目前對稀土滲氮加速和硬度強(qiáng)化機(jī)理的研究明顯滯后，難以滿足稀土滲氮工藝的實(shí)際需要。本文對三種常用合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了稀土滲氮和常規(guī)滲氮的對比試驗(yàn)。從宏觀和微觀兩個方面研究了稀土在滲氮過程中加速滲層和提高硬度的機(jī)理。采用良好的滲氮爐和研制的稀土促進(jìn)劑，對40鉻鉬鋼、42鉻鉬鋼和38鉻鉬鋼分別進(jìn)行了常規(guī)滲氮和稀土滲氮試驗(yàn)。用金相顯微鏡觀察滲層的顯微組織，發(fā)現(xiàn)500倍放大后滲層組織無明顯差異。用掃描電鏡分析點(diǎn)成分和線掃描濃度，檢測稀土元素的浸潤位置和分布。發(fā)現(xiàn)稀土元素可以滲入鋼的表面，晶界處的滲入量大于晶體中的滲入量。用顯微硬度計檢測試樣，同鋼種稀土滲氮表面硬度比常規(guī)滲氮高50-150HV，脆性不增加。通過對擴(kuò)散層增厚動力學(xué)的分析，得出在相同的溫度和時間條件下，稀土滲氮可以明顯增厚擴(kuò)散層。滲透率提高30 ~ 40%。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，稀土滲透后樣品的微觀結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，亞結(jié)構(gòu)晶粒變小。基于稀固溶體和科特雷爾氣氛理論，稀土在滲氮過程中的催化作用主要體現(xiàn)在兩個方面。首先稀土鹽催化劑在爐氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成稀土氫化物(ReH2或ReH3)，然后稀土氫化物被鋼表面吸附，發(fā)生界面反應(yīng)。產(chǎn)生稀土氮化物(Re[N])。活性稀土[N]根據(jù)空位、短路機(jī)制等缺陷，在極化作用下以稀土氮化物的形式滲入鋼的表面。滲入的稀土原子與鐵溶解形成稀固溶體，引起鐵晶格的彈性膨脹變形，引起邊緣位錯和缺陷密度的增加。氮原子聚集在邊緣位錯處，導(dǎo)致科特雷爾大氣的形成。這一系列的作用導(dǎo)致氮原子擴(kuò)散系數(shù)d的增加。隨著傳遞系數(shù)的增大，表層和晶內(nèi)層的濃度差增大，使得滲透率增大。此外，稀土原子沖擊工件表面產(chǎn)生的較大動能加速了爐氣交換，進(jìn)一步加快了滲氮速度。稀土原子的滲入改變了鋼的表面晶粒和晶界結(jié)構(gòu)。對晶粒結(jié)構(gòu)的影響在于誘導(dǎo)位錯類似于切割鋼晶體結(jié)構(gòu)的亞結(jié)構(gòu)，使晶粒細(xì)化。晶粒亞的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，用霍爾佩奇公式進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到了一系列的強(qiáng)度疊加效應(yīng)，提高了硬度。對晶界結(jié)構(gòu)的影響在于稀土原子沿晶界的滲透和擴(kuò)散，會誘發(fā)晶界的遷移，改變晶界表面凸起和扭結(jié)的密度，壓縮晶界，限制晶粒的運(yùn)動，宏觀上增加硬度。產(chǎn)生的氣團(tuán)增加了氮的分離面積關(guān)鍵詞：合金結(jié)構(gòu)鋼稀土滲氮層硬度加速強(qiáng)化機(jī)理