哈工大热处理原理与工艺大作业-稀土化学热处理

稀土化学热处理热处理原理与工艺报告——

小组成员：马靖博、梁颢严、范荣辉、张宁波、王昀立1一、稀土概述21.1什么是稀土31.1什么是稀土稀土元素指元素周期表Ⅲ副族的镧系元素。由于电子结构和性质上的相似，习惯上将钪，钇也包括在内。稀土不是含量稀少而是来源于英文的直译RareEarth。我国稀土资源丰富。41.2稀土元素的性质稀土元素较普通金属元素尺寸较大，通常比普通金属元素原子半径大0.5倍左右。稀土金属的化学性质活泼，几乎能与所有非金属元素如氧、硫、氮、氯等化合。51.3稀土元素与非金属的作用稀土元素活泼可与大量非金属元素反应稀土元素与氧的作用：生成熔点高，十分稳定的氧化物，可在金属表面形成稳定致密的稀土氧化膜，大大提高金属的高温抗氧化能力。稀土元素与碳的作用：易形成稀土碳化物。稀土元素与硫的作用：形成稳定的硫化物，具有脱硫的净化作用，减少夹杂物，抑制材料中硫的有害作用。稀土元素与氢的作用：稀土在室温下能吸氢，加热到250~300℃时作用剧烈。形成氢化物，降低氢致脆的危害。61.4稀土在钢中的存在形式非金属夹杂物加入少量稀土继续加入继续加入固溶体金属间化合物钢中稀土常以非金属夹杂物和固溶状态和金属化合物三种形式存在。稀土的存在形式与稀土的加入量有关，一般来说加入少量的稀土，首先稀土与钢中氧和硫结合形成稀土夹杂物；继续加入稀土，脱氧、脱硫完成后，多余稀土将固溶于钢中；待钢中的稀土超过固溶度时，可观察到少量稀土金属间化合物析出。71.4稀土在钢中的存在形式

81.5稀土在钢中的两大作用稀土的变性作用1、钢中的稀土起到脱氧、脱硫及清除有害杂质的作用，可使钢的质量大大提高。2、稀土与钢中低熔点的有害杂质Pb、Sn等可形成高熔点的金属间化合物，从而使钢的冲击韧性得到改善。91.5稀土在钢中的两大作用

101.5稀土在钢中的两大作用

112稀土化学热处理概述122.1什么是稀土化学热处理稀土化学热处理，是将工件置于含有稀土物质的介质中加热，使稀土和相应的元素共同渗入工件表层，改变表面化学成分和组织，从而改变其性能的热处理工艺。稀土化学热处理与普通化学热处理主要区别是稀土化学热处理的渗入元素包括稀土元素。稀土化学热处理可以理解为一种特殊的化学热处理。

132.2化学热处理基本过程(1)介质中的化学反应：在处理温度下，气、液或固态渗剂(介质)中发生化学反应，生成欲渗元素的活性原子；(2)界面层中的外扩散：紧靠金属表面处的介质中，交换反应物与反应生成物所进行的扩散；14(3)表面吸附和界面反应：“介质中某些反应生成物”(诸如欲渗元素原子或离子以及含欲渗元素原子的某些物质等，以下同，并用FS表示)在金属表面上进行吸附和由此产生的各种界面反应；(4)内扩散：界面反应后的欲渗原子由金属表面向纵深迁移；(5)体相反应：欲渗原子与金属中存在的原子之间的反应。152.3稀土化学热处理的分类稀土氮碳+氮等离子+氮多元硼硼+铝钨/钼碳162.4稀土在化学热处理的作用及其机制l、

催渗作用稀土能使渗剂活化，促进渗剂的分解。当稀土元素吸附在钢件表面时，可夺取钢表面氧化膜中的氧，破坏氧化膜，起清洁活化表面的作用，使待渗入原子（如C、N、B等）更容易被钢表面吸附。稀土强化界面反应。

172、对改善渗层组织性能的作用稀土在化学热处理中的微合金化作用，可明显改善渗层性能。其作用具体表现如：1、稀土渗C，化合物数量和位错密度增加，晶粒细化以及微量稀土的固溶强化作用提高金属硬度。2、稀土渗B，共渗时所形成的单相渗层磨损时附加内应力小，较好地抑制了渗层中裂纹的产生和扩展，加之稀土在奥氏体晶界的偏聚抑制了B沿奥氏体晶界的析出，使渗层不易产生开裂和剥落，从而提高耐磨性。182.5稀土化学热处理的优势1、显著增加渗层厚度，元素渗入速度2、具有更加优良的组织和性能3、可实现低温化学热处理（如低温稀土渗碳、低温稀土多元共渗等），改变金属的热处理工艺。分别以20#齿轮用钢稀土渗碳低温高碳势稀土渗碳20CrNi4A化学热处理为例说明1920#钢（化学成分：C0.17%~0.24%,Si0.17%~0.37%,Mn0.35%~0.65%,P不高于0.04%,S不高于0.04%。），正火调质处理(910℃，保温60min,空冷)后,用电火花切割成ϕ10mm×10mm的试样。HT-8001型可控井式气体渗碳炉进行滴注式气体渗碳渗碳剂为煤油,添加稀土的甲醇作为排气剂兼催渗剂,稀土催渗剂加入量分别为1%,2%,3%,4%(均为体积分数)。渗碳温度为920℃,碳势为1.1%,渗碳总时间为5h,渗碳后,试样随炉冷却至室温。一、实验过程20二、组织性能分析加入不同量稀土渗碳并缓冷后的组织1、利用XJP-3A型金相显微镜测试渗碳层厚度并进行组织分析21稀土加入量不同时渗层中过共析层组织22产生以上结果的原因：稀土元素的渗入引起铁点阵的膨胀畸变,这有利于碳原子跃迁,并优先在这些畸变区偏聚,从而提高了表层的碳浓度,又由于高的碳浓度梯度出现,促进碳原子扩散,从而提高了渗速。稀土原子渗入钢基体中引起的点阵畸变会使钢基体缺陷密度增加,提高碳原子的渗入系数和扩散系数,也即提高了渗速。渗碳过程中工件都需要进行热处理,预热处理时钢表面会出现一定程度的氧化,一般称为预氧化。而稀土元素电负性较低,活性较高,在一定条件下可以有效还原电负性相对较高的元素,使得预氧化的铁被还原,因此加入稀土催渗剂可以加速预氧化层的还原,活化、净化工件表面,加速渗碳过程。232、利用MHV2000显微维氏硬度计测试渗碳件显微硬度分布（间隔0.2mm测1个点,载荷为1.96N,加载时间为10s）243、利用MMS-20型摩擦磨损试验机上测试渗层表面的耐磨性对磨副材料为GCr15钢,试验力选择200N,时间30min,转速200r/min,摩擦磨损试验前后用分析天平对试件进行称量,计算磨损失重图725高碳势高中低低温高碳势稀土渗碳26高碳势碳化物沿晶界析出或生成大块碳化物大量的残余奥氏体碳势越高，渗入速度越快，渗层越厚稀土高碳势渗碳后过共析区的碳主要集中在碳化物中,固溶在奥氏体中的含碳量反而比原工艺少。原工艺渗碳淬火后在显微镜下常见或多或少的残余奥氏体存在于亚表层中,而高碳势渗碳后在碳化物析出区则难以看到。。27低温渗碳920-940860-8801.节约能源，对热处理炉要求更低3.为细小弥散颗粒状碳化物提供了可能2.相对高碳势高中低28实验二：稀土低温高碳势工艺对材料组织性能的影响29渗层组织30力学性能3120CrNi4A钢渗碳对20CrNi4A钢渗碳的传统工艺

渗碳低温回火二次加热淬火正火中温回火对20CrNi4A钢的稀土渗碳工艺