稀土化学热处理的研究(下)

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　　2.3稀土渗硼及硼铝共渗

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　　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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　　2.7稀土渗钨和渗钼

　　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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　　2.8稀土化学热处理过程的数学模型与计算及仿真

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　　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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　　2.9稀土催渗化与微合金化机制

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　　化学热处理可以概括为3个元过程：①渗入元素活性原子的产生与供给；②界面反应与渗入原子的传递；③渗入原子在钢中的扩散。大量试验和计算提供的数据证明，稀土在化学热处理的三个元过程均扮演了重要角色，现简述如下。

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　　(1)稀土促进渗入介质的分解[54-56]以渗碳为例，在滴注式和吸热式可控气氛中加入稀土，在其它条件不变的条件下，借助氧探头可以观察到炉气碳势被明显增高10~20%。废气燃烧颜色也有明显变化，由加入前的淡青色向加入后的浅桔黄色变化。炉气分析指出，这与炉气中的甲烷含量和一氧化碳相应增高有关。炉气中甲烷含量适度增加与炉气碳势的提高，有助于渗碳速度的提高。基于炉气分析数据，计算了08F钢在900C的滴注式气氛中有无稀土添加时的表面碳活度，结果表明，稀土添加使表面碳活度提高25.9%。