高合金钢超饱与渗碳过程及其数学模型[1]

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1、高合金钢超饱和渗碳过程及其数学模型[1]第20卷..第3期1999年..9月金..属..热..处..理..学..报TRANSACTIONSOFMETALHEATTREATMENTVol.20..No.3Sept.1999高合金钢超饱和渗碳过程及其数学模型戚正风..王传雅(大连铁道学院)本文收到日期:1999年3月15日初稿,1999年5月4日修改稿本文联系人:戚正风,男,1930年7月生,教授,辽宁省大连市(116028)大连铁道学院摘..要..讨论了高合金钢超饱和渗碳过程,并在此基础上初步建立了计算高合金钢超饱和渗碳层碳含量分布曲线的数学

2、模型。关键词..高合金钢..渗碳..超饱和渗碳超饱和渗碳又称过饱和渗碳、高浓度渗碳或CD渗碳(CarbideDispersionCarburization)。当气氛碳势高于门槛值时,发生超饱和渗碳。在渗层形成碳化物。有关合金渗碳钢的超饱和渗碳理论在文献[1]中已作了详细讨论,提出了碳化物极限值、碳势门槛值等概念。超饱和渗碳除用于结构钢外,亦可用于高合金工模具钢,特别是新发展的少无莱氏体高合金钢[2]。高速钢的超饱和渗碳在国内外已有人进行了不少工作,但由于工艺不稳定,在生产上很少采用。就少无莱氏体高合金钢而言,超饱和渗碳是必不可少的。为此作者

3、进行了较深入的研究。本文对..状态及..状态的超饱和渗碳过程进行了全面讨论,并在此基础上提出了计算高合金钢超饱和渗碳层碳含量分布曲线的数学模型。1..高合金钢超饱和渗碳过程高速钢及高铬冷作模具钢均为多元铁合金。因三元以上的多元合金相图极其复杂而难以测定,所见甚鲜,故只能以Fe-M-C三元系为基础进行讨论。图1为Fe-M-C合金在渗碳温度T的等温截面相图(示意图)。设合金元素含量为M0,忽略碳的渗入对M百分比的影响,则可认为随着碳的渗入,渗层碳含量沿M0水平线右移。与普通渗碳相同,超饱和渗碳时,碳主要也是通过工件表面进入..或..,然后在..

4、及..中向里扩散,不同的是由于碳化物的形成而使扩散通道截面减小,但这在计算时难以考虑,暂且忽略不计。高合金钢的原始碳含量可在很大范围内变动,因此,其起始状态有可能落入图1相图中的任一相区。设某高合金钢的原始碳含量为C0,落入..+..相区。现讨论该钢在T温度下的渗碳过程。1..1..第一阶段........状态超饱和渗碳渗碳开始时,..相碳浓度C..0已达饱和状态。随碳的渗入,C..沿bc变化。与此同时,..碳化物的量不断增多,渗层碳含量沿M0水平右移。..的量可由连接线得出。..的增多使..的合金元素含量下降,至c点时,..的碳含量达C.

5、.c,第一阶段渗碳结束。此时,渗层碳含量为C1(图2)。图1..Fe-M-C合金在渗碳温度T的等温截面相图Fig.1..IsothermalsectionofFe-M-Cternaryequilibriumdiagram图2..第一阶段超饱和渗碳Fig.2..Firststepofsupercarburizing1..2..第二阶段........状态超饱和渗碳..的碳含量达到C..c时,开始形成..相。因不能形成..+..+..三相层,故随..相的形成,..相将消失,在表面出现..+..双相层,渗碳进入第二阶段。此后,随碳的渗入,..的成

6、分沿de变化,..量逐渐增加,..+..层逐渐变厚。在..+..双相层与心部交界处,固溶体的碳含量及渗层碳含量均有突变(图3)。设..与气氛达到平衡时的碳含量为Cp,则当工件表面..的碳含量达到Cp后,..的碳含量及..碳化物量均不再增加,此时的..碳化物量即文献[1]中的碳化物极限值。由此可见,钢的原始成分和渗碳温度给定时碳化物极限值的大小取决于Cp。若渗碳气氛碳势较高,则随碳的渗入,..的碳含量可沿de线增加至C..e,至此,第二阶段渗碳结束。此时,表面碳图3..第二阶段超饱和渗碳Fig.3..Secondstepofsupercarb

7、urizing图4..第三阶段超饱和渗碳Fig.4..Thirdstepofsupercarburizing含量及..碳化物量可由通过e点的连接线确定。20金..属..热..处..理..学..报第20卷1..3..第三阶段......形成白亮层当..的碳含量达到C..e时,将形成..碳化物。同样,在不可能出现..+..+..三相层的条件下,随..的出现,..将消失,在表面形成..+..双相层。由图1可见,此时..量极多,故在光镜下显示为白亮层,实际上仍为双相层,应称为碳化物堆积层。与第二阶段相比,第三阶段渗碳的特点在于形成新的双相层时发生碳

8、化物转变而不是固溶体相变。此时,在C-x曲线上固溶体成分未发生突变(图4)。此后,若介质的碳势足够高,..的碳含量仍可有所增加而略高于C..e。1..4..普遍情况若钢的原始成分