合金结构钢稀土渗氮及硬度增强机理的研究

　　渗氮是提高合金钢表面硬度的常用热处理工艺。然而，由于时间长、能耗高，很难满足节能减排的需要。近年来，通过添加稀土元素来提高渗氮速度和缩短渗氮时间的热处理工艺引起了学术界和工程界的关注。渗氮实践表明，应用稀土渗氮不仅可以加快渗氮速度，降低能耗。而且可以改善氮化层的组织和性能，增强氮化层表面的硬度和耐磨性。然而，目前对稀土渗氮加速和硬度强化机理的研究明显滞后，难以满足稀土渗氮工艺的实际需要。本文对三种常用合金结构钢进行了稀土渗氮和常规渗氮的对比试验。从宏观和微观两个方面研究了稀土在渗氮过程中加速渗层和提高硬度的机理。采用良好的渗氮炉和研制的稀土促进剂，对40铬钼钢、42铬钼钢和38铬钼钢分别进行了常规渗氮和稀土渗氮试验。用金相显微镜观察渗层的显微组织，发现500倍放大后渗层组织无明显差异。用扫描电镜分析点成分和线扫描浓度，检测稀土元素的浸润位置和分布。发现稀土元素可以渗入钢的表面，晶界处的渗入量大于晶体中的渗入量。用显微硬度计检测试样，同钢种稀土渗氮表面硬度比常规渗氮高50-150HV，脆性不增加。通过对扩散层增厚动力学的分析，得出在相同的温度和时间条件下，稀土渗氮可以明显增厚扩散层。渗透率提高30 ~ 40%。透射电镜观察发现，稀土渗透后样品的微观结构变得复杂，亚结构晶粒变小。基于稀固溶体和科特雷尔气氛理论，稀土在渗氮过程中的催化作用主要体现在两个方面。首先稀土盐催化剂在炉气中发生化学反应，生成稀土氢化物(ReH2或ReH3)，然后稀土氢化物被钢表面吸附，发生界面反应。产生稀土氮化物(Re[N])。活性稀土[N]根据空位、短路机制等缺陷，在极化作用下以稀土氮化物的形式渗入钢的表面。渗入的稀土原子与铁溶解形成稀固溶体，引起铁晶格的弹性膨胀变形，引起边缘位错和缺陷密度的增加。氮原子聚集在边缘位错处，导致科特雷尔大气的形成。这一系列的作用导致氮原子扩散系数d的增加。随着传递系数的增大，表层和晶内层的浓度差增大，使得渗透率增大。此外，稀土原子冲击工件表面产生的较大动能加速了炉气交换，进一步加快了渗氮速度。稀土原子的渗入改变了钢的表面晶粒和晶界结构。对晶粒结构的影响在于诱导位错类似于切割钢晶体结构的亚结构，使晶粒细化。晶粒亚的结构发生了变化，用霍尔佩奇公式进行强度分析，得到了一系列的强度叠加效应，提高了硬度。对晶界结构的影响在于稀土原子沿晶界的渗透和扩散，会诱发晶界的迁移，改变晶界表面凸起和扭结的密度，压缩晶界，限制晶粒的运动，宏观上增加硬度。产生的气团增加了氮的分离面积关键词：合金结构钢稀土渗氮层硬度加速强化机理