形變與化學(xué)熱處理的組合稱為形變化學(xué)熱處理,形變既可加速化學(xué)熱處理過程,也可強(qiáng)化化學(xué)熱處理效果,是一種值得重視的熱處理新工藝。
應(yīng)力和形變均勻可加速鋼中鐵原子的自擴(kuò)散和置換原子的擴(kuò)散。研究結(jié)果證實(shí),不論是彈性形變,還是塑性形變,拉應(yīng)力都能加速鐵的自擴(kuò)散過程。這主要是由于隨形變量和應(yīng)力的增加,金屬中晶體缺陷(位錯密度)增多,使原子容易沿位錯線擇優(yōu)擴(kuò)散,從而加速擴(kuò)散過程。
1.形變后的化學(xué)熱處理
形變對間隙原子(碳、氮)擴(kuò)散的影響比較復(fù)雜。形變造成的組織結(jié)構(gòu)差異,位錯密度和結(jié)構(gòu)的變化,碳化物析出形成的合金元素再分配,晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)的變動等因素都會影響碳的擴(kuò)散。如形變后的再結(jié)晶形成的晶粒細(xì)化使晶粒邊界擴(kuò)大,及晶體內(nèi)孔隙密度增加都會加速間隙原子擴(kuò)散,而碳原子在奧氏體晶體內(nèi)位錯附近的聚集會使碳的擴(kuò)散系數(shù)減小。因此,若加速滲碳和滲氮過程,必須選擇適當(dāng)?shù)男巫兒秃鬅崽幚項(xiàng)l件。如22CrNiMo鋼滲碳7h以上時,25%形變量的滲層深度出現(xiàn)峰值,進(jìn)行2h滲碳時,形變量25%的滲層碳含量最高。
如鋼件經(jīng)低溫形變的晶粒多邊化處理再施行滲氮可以有效地提高力學(xué)性能、蠕變抗力和持久強(qiáng)度。這是由于多邊化建立的亞晶界(位錯墻)被間隙原子(N)所釘扎的結(jié)果。
2.形變與化學(xué)熱處理同時進(jìn)行
將工件、滲劑與粉末粒子一起裝在滾筒里,邊滾動邊加熱進(jìn)行的擴(kuò)滲處理工藝就是利用了沖擊粒子的機(jī)械能促進(jìn)滲入速度的方法,也稱為機(jī)械能助滲。運(yùn)動粒子沖擊工件可除掉表面氧化膜,凈化表面,產(chǎn)生表面缺陷,有利于滲出入原子的吸附,提高滲入元表的吸附濃度。運(yùn)動的粉末粒子與工件相對運(yùn)動,變傳熱方式為固體顆粒間流動接觸傳熱,改善了滾筒內(nèi)部溫度均勻性,大大增加了傳熱速度,縮短了加熱和透燒時間。運(yùn)動的粉末粒子增加滲劑組成物之間接觸機(jī)會,促進(jìn)它們之間的化學(xué)反應(yīng),增加滲劑的活性和新生態(tài)滲入元素的濃度。運(yùn)動的粉末粒子沖擊被加熱的工件表面,將其動能傳給表面點(diǎn)陣原子,使其激活脫位,形成空位,甚至形成擴(kuò)散通道等晶體缺陷。改變原子擴(kuò)散行徑為點(diǎn)陣缺陷的擴(kuò)散,致使擴(kuò)散激活能大幅度降低,擴(kuò)滲溫度大幅度降低,擴(kuò)滲時間顯著縮短,節(jié)能效果顯著,并能提高產(chǎn)品質(zhì)量。
如Cr6W5Mo4V2高速鋼鉆頭用機(jī)械能助氮碳共滲,520℃×2h,無化合物層,擴(kuò)散層30μm,顯微硬度為852~901HV,心部硬度為781HV0.1,使用壽命提高一部多。在擴(kuò)散層中發(fā)現(xiàn)大塊碳化物變細(xì)小、圓整且彌散分布。在機(jī)械能沖擊下,存在碳化物溶解、氮化物和碳化物的再析出過程,使碳化物變細(xì),析出的氮化物彌散分布,致使氮碳共滲層硬度提高。
3.鋼件化學(xué)熱處理后的冷形變
鋼件經(jīng)滲碳、滲氮等化學(xué)熱處理后施行滾壓、噴丸等表面冷形變可獲得進(jìn)一步強(qiáng)化的效果,得到更高的表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度,進(jìn)一步延長使用壽命。
冷形變能促使?jié)B層晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的變化,部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,在表面層形成巨大的壓應(yīng)力。這些都是提高鋼件表面硬度和綜合力學(xué)性能的原因。18Cr2Ni4WA鋼樣化學(xué)熱處理后冷形變和一般熱處理后的力學(xué)性能比較,硬度和彎曲疲勞極限明顯提高。
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