感应加热渗氮过程的生长动力学分析

1、感应加热渗氮过程的生长动力学分析通常来说.化学热处理的过程是曲介质中化学反应、工件的表面吸附与界面反应以及漠入元素在工件内的扩散组成的|*°】，当所用介质固定时，淆入元索在工件内的扩敌即内扩散将成为化学热处理潦速快慢的决定性因素.在如何获得理想的濯层方面，对内扩散的研究显得尤为重要.林欣悦等人】将新型淒氮®30Cr2MoV和传统的38CrMoAl钢在不同温度下进行了不同时间的气体潅氮，计算了氮在这两种材料中的扩散激活能丫并讨论了30Cr2MoV具有较强渗氮能力的原因:J.Mongis等人廖I研究了微合金钢的渗氮动力学以及机械性能.指出在扩散过程中，淖层的增长和处理时间呈抛物

2、线关系；杨正逋等人【珂对固态微磺错铁合金在高温电阻炉中气体渗氮的动力学迸行了研究，结果表明温度、合金颗粒度以及介质的选择对渗氮速率都有很大的影响.此外.文献4379对滚氨过程中的扩散过稈以及动力学模型进行了大量研究.丘L2研究方法由硬度法测量的结果结合文献40、42可以知道，津层的厚度与处理时间呈拋物线关系，即：<5J)式中凸一一灌氨层厚度.mK生长速翠常数，m2/sI时间，$将渗层厚度的平方值与处理时间作图.拟合后所得的直线斜率即为K值"再根据Arrbcnius公式,K与扩散温度的关系如式5,2所示：(5.2)式中Q氮的平均扩散激活能J/molK生长速睾常数,心常数R气体常数

3、,J/(molK)T_度，K将Arrhenius公式两边取自然对数得：nK=nK0-Q/RT)(53)由式(5.3)可看出，平均扩散激活能Q取决于InK与1/T作图后直线的斜率。因此,通过将1伙与1/T作图所得直线的斜率即可算出平均扩散激活能0。5.2低碳钢感应潼氨的生长动力学研究图5.1为相同温度下经过不同保温时何处理的低碳钢样品的渗层厚度变化，潼层厚度由硬度法测出.从中可以看到，随著保温时间和处理温度的增加，渗层厚度有着显著的增长，其中500、550*0、600C下保温15min的试样的港层厚度分别可达lOlgm.116gm和150屮n。保ifl时间/s图5.1相同温度下经过不同保温时间处

4、理的低碳钢样品的渗辰厚度变化将渗层厚度的平方值和处理时间作图如图5.2,其中经拟合后的直线斜率就是各温度下的氮原子生长速率常数。分别为/r5ool.O472xlOHm2/s,K«obl.3601xi0n?/s,3严2763其10小01%。 6009550X? 5009图52低碳钢潅絶层厚度的平方值和时间的关系然后将InK与1/卩作图，直线斜率为卫/&由图5.3可知，直线斜率£/?=-4838.57988,0=40.23kJ/moL图53低碳钢1伙与1/T的关系5.338CrMoAl感应沽氨的生长动力学研究图5.4为相同温度下经过不同保温时间处理的38CrMoAl样品

5、的潼层厚度变化，从中可以看到，随着保温时间和处理温度的増加，潅层厚度有着显着的增长.和经相同工艺条件处理过的低碳钢试样相比较，在同等条件下，38CrMoAl试样所获得的澹层厚度相比较小，这是由于38CrMoAl中有着和氮原子亲和力强的Cr、Mo.Al元素，其在不同程度上降低了氮在a相中的扩散系数，对氮原子的扩敬有阻碍作用，减小了渗层的厚度。此外，文献39认为在对38CrMoAl进行港氮处理时，氮首先溶于a-Fe中形成a相,当到达一定的饱和程度时，则先形成极为弥散的氮化铝，然后形成氮化铝，最后形成氨化辂，形成氮化钳和氮化辂的过程也可能是同时进行的。当这些过程完成后，氮继续被吸收，才会发生剩下的相

6、转变.保温时ffl/s图5.4相同温度F经过不同时间保温处理的38CrMoAl样品的滾出厚度变化图5.5为38CrMoAl渗氮层卑度的平方值和时间的关系，其中经拟合后的直线斜率就是各温度下的氮原子生长速率常数。为K50or=7.1562xlO-,2m2/s,K550严7.2481xl0-,2m2/s,K30计1.6613*10川nAs。图5.538CrMoAI港氮层厚度的平方值和时间的关系图5.6为38CrMoAI试样InK和1/7的关系，直线斜率即为QR.拟合后可知-g/-5395.355,0=44.86U/moL这比之前低碳钢感应渗氮过程中徳的平均扩散激活能要高.说明了合金元索主要起着抑制

7、渗氮层生长的作用。图5.638CrMoAllnK与1/T的关系以甲酰胺为介质，对低碳钢和38CrMoAl钢进行了液相感应加热共渗处理，分析了潅层组织和性能，结果表明：1）低碳钢在55（TC下只需20s的保温处理便能获得19|im厚的渗层。经处理后的试样的近表面硬度值有着明显的提高，其中低碳钢经600X?,15min保温处理后的渗层厚度为150屮m硬度值最大达680HV0.3；38CrMoAl试样同样可获得最厚为124pm,最大硬度值为733HV0.3的渗层。2）随着处理温度的升高以及保温时间的延长，试样截面上的硬度分布更为平坦，渗层厚度以及化合物层厚度提高明显，此外在化合物层靠近基体一侧开始出

8、现黑色晶界，含氮马氏体开始增多，疏松层也农现得更为明显。经X射线衍射及辉光放电光谱分析，渗层表面主要为相，氮含最在近表面始终维持一个很高的水平。3）在高于通常潼氮温度下处理时，试样的表面仍然有一层化合物层，并且相较于在50（M00*C下处理的试样的硬度值提升更为明显，低破钢和38CrMoAl试样经处理后最大硬度值分别可达720HV0.3和735HVO.3。4）经过液相感应共渗处理的低碳钢和38CrMoAl中氮的平均扩散激活能分别为40.23kJ/mol和44.86kJ/mol.综上所述，液相感应加热共渗技术是一项可行的、有效的新型化学热处理方法，它能显苦地简短加工时间，节约能源，提高材料的表面性能但是经过处理的低碳钢表面的化合物层要比经气