应用技术稀土在金属表面改性中的应用李安敏,许伯藩(武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉430081)[摘要] 扼要总结了有关稀土在金属表面改性中的应用研究情况,分析了稀土在金属表面改性中的作用,并对其机理进行了初步探讨。
[关键词] 稀土元素;金属表面;表面改性[中图分类号]TG113.2;TG146.4 [文献标识码]B [文章编号]1001-3660(2002)04-0040-03The Application of R are E arth to the Surface Improvement of Metal MaterialLI An2min,XU Bo2fan(C ollege of Material&Metallurgy,Wuhan University of Science&T echnology,Wuhan430081,China)[Abstact] The effects of the rare-earth to the surface of metal material are reviewed,and s ome trend to research im proving the surface properties of metal material is introduced.[K eyw ords] Rare-earth element;Metal surface;Snrface im proverment0 引言由于稀土以其优良的性能,被广泛应用于冶金、电子、化工、医学等行业中,特别是在钢铁生产中,由于稀土的净化作用、变质作用、微合金化作用[1],改善铸锭冶金质量,提高钢材的性能,取得了显著效益。
近年来,稀土逐渐被应用于金属表面改性工程(如化学热处理、激光表面改性、喷焊、堆焊等)中,也显示出稀土元素独特的改性作用,同时稀土在这些金属表面改性的行为及其改性机理需要材料工作者进一步研究,使稀土更好地发挥其在金属表面改性中的作用。
1 稀土在金属表面改性中的作用由于稀土有上述的特点,材料科学工作者利用稀土的这些特点,将稀土应用于金属表面改性中,并取得了一定的成果。
1.1 稀土在化学热处理中的应用稀土在化学热处理中的应用有以下4种方法:粉末法、盐浴法、熔盐电解法、气体法。
孙轩华等用自制的稀土硅和E NE催化剂对45钢进行了稀土覆层的研究,研究表面渗后试样表面为高硬度的白亮层,过渡层中先共稀铁素体消失,全部变为细球状珠光体,其硬度增至H V504。
王荣滨等[3]用(70%FeB+20%K BFe+10%RE)进行固硼稀土共渗,获得70～80μm的单相致密的Fe2B渗层,硬度可达H V2000～2100。
王荣滨还用(70%NaB4O7+10%NaF+10%Na2O3+10%RE)进行盐浴硼稀土共渗,处理的Crl2钢制无缝钢管冷拔内、外模,可提高寿命10倍以上。
程先华[4]在化学热处理渗剂中添加微量稀土元素,研究其对工艺过程、渗层的组织和性能的影响以及其在生产中的应用,发现稀土元素在化学热处理中显示出优异催渗效果,与普通化学热处理相比,可使渗入速度提高20%～35%。
杨顺贞[5]研究发现稀土对低温固体B2C2N共渗与有催渗作用。
王伟兰等[6]研究稀土对H13模具钢低温粉末渗硼的影响,发现加稀土渗硼仍具有比较明显的“滑化”效果,能够提高渗硼的耐磨性,合适的饿稀土加入量促进渗层趋向均匀,致密,并有一定的催渗作用。
[收稿日期]2002203202[作者简介]李安敏(1973-),女,广西武鸣人,硕士,主要从事金属表面改性研究。
04Aug. 2002 SURFACE TECHN OLOG Y V ol.31 N O.4刘磊[7]研究冷作模具经盐浴稀土矾硼共渗处理后比常规热处理的模具使用寿命提高3～7倍。
王豫等[8]在滴注式气体渗碳介质中加入稀土添加剂,可起到明显的催渗效果。
在920℃×4h的渗碳条件下渗碳速度可提高26.9%,同时渗层的硬度和耐磨性能都有明显提高。
在渗碳过程中,稀土的作用有:促进渗剂分解、促进钢材料表面吸收碳原子、促进碳原子在工件中扩散、稀土在钢表面有微合金化作用。
自从稀土催渗离子渗氮获得成功以来,许多材料工作者又做了许多研究工作,如陈方生等[9]研究稀土对40Cr钢离子渗氮化合物层结构的影响。
结果表明:与普通离子渗氮相比较,稀土能促进晶体缺陷的形成。
1.2 稀土在堆焊中的应用由于稀土成功地应用于化学热处理中,材料工作者把它引用到堆焊中,也取得了很大研究成果。
杨庆祥等[10,11]研究稀土在堆焊焊层中的作用,文献[10]研制热剪刃堆焊焊条,采用添加稀土氧化物的堆焊焊条对3Cr2W8V的热剪刃进行了堆焊修复,由于稀土氧化物能明显变质熔敷金属中的夹杂物,细化一次结晶组织,并提高其热塑性,可使堆焊修复的剪刃性能明显优于原3Cr2W8V整体热剪刃,使用寿命为原3Cr2W8V的3～8倍。
他们也研制稀土型抗开裂堆焊焊条,文献[11]介绍了稀土型抗开裂堆焊焊条的成分优化设计和抗开裂性能及在生产中的应用情况,表明稀土氧化物能明显提高熔敷金属的抗开裂性能,在与镍的共同作用下,可对热轧辊钢和热模具进行免预热、免热处理的堆焊修复。
郭汉卿等[12]研究在焊条药皮中加入不同含量的稀土元素对1Cr5W10M o2V3堆焊合金高温性能、碳化物形成及分布、耐磨性的影响,实验结果表明加入适量的稀土元素,可提高组织的高温稳定性、回火二次硬化、抗蠕变能力,细化晶粒,改善塑韧性,使碳化物在晶界聚集形成耐磨网架,比不加稀土元素的同类合金耐磨性提高1倍。
洪永昌、冯安华等[13,14]研究稀土元素钇对堆焊焊条组织与性能的影响,稀土可改善堆焊层的焊态组织,提高堆焊层金属的焊态硬度,时效硬度及耐磨性和抗热疲劳性,并应用于某些在高温状态使用的冶金工业设备零部件的堆焊修复。
尹柯等[15]采用碳弧堆焊的方法,在高铬合金铸粉中加入稀土及合金元素,结果表明,稀土在碳弧中过渡量可观,适量的稀土及合金元素提高了堆焊层的耐磨性。
1.3 稀土在喷焊中的应用稀土元素还成功应用于喷焊领域中,稀土能大大提高喷焊层的耐磨性,具体研究成果如下。
李慕勤等[16]研究稀土对喷焊层的耐磨性、耐腐蚀性的影响,适量的稀土能改善喷焊层焊态组织、焊层硬度,提高耐磨性,喷焊粉末具有良好的工艺性能。
翟光杰[17]通过在喷焊粉末中添加稀土粉末,研究另外稀土合金和稀土氧化物对铁基、镍基喷焊合金层组织、结构、耐磨性的影响,结果发现稀土能够明显提高喷焊合金层的耐磨性与承载能力。
1.4 稀土在激光表面改性中的应用苏梅等[18]在M80S20激光合金化层中加入CeO2能改善激光合金化层的耐腐蚀性。
李全安等[19]研究表明质量分数为8%CeO2能明显改善M2+4B激光合金层显微组织使涂层的显微组织形态匹配最佳,明显降低了摩擦系数,硬度最高达到H V1180,摩擦磨损性能最好。
陈瑶等[20]在涂层合金元素中添加稀土元素,在16Mn钢表面激光熔覆(WC+SiC)ΠNi基复合涂层,试验结果发现熔覆层和基体形成了冶金结合,且结合带区域有一定厚度的平面晶产生,稀土元素细化熔覆层组织,使显微硬度及耐磨性有所提高。
王昆林等[21]研究La2O3,对镍基合金激光熔覆层组织和耐磨性的影响,发现La2O3能细化和净化显微组织,降低熔覆层摩擦系数并提高其耐磨性能。
查莹等[22]改善激光熔覆镍基合金和陶瓷硬质相复合涂层性能,通过调整WC的比例和分布、合理的工艺参数,增设韧性良好的过渡层(纯镍基合金过渡层),并加入微量混合稀土氧化物,对发生马氏体相变硬化的热影响区进行激光回火处理等,已获得了无裂纹缺陷,金相组织均匀,并具有硬度平滑过渡的优质熔覆层。
沈以赴等[23]研究稀土在激光熔覆涂层中的分布和行为。
张庆茂等[24]研究Ce对送粉激光层组织和性能的影响,他们成功的在熔覆层中添加稀土元素,其平均含量为0.1%,稀土元素可以细化晶粒,净化熔覆层组织,提高合金熔覆层的显微硬度和耐磨性。
赵涛等[25]在5Cr21Mn9Ni4V不锈钢基体表面成功熔覆了含不同CeO2量的镍基金属陶瓷复合层,研究发现稀土氧化物能加速碳化物颗粒的溶解,促进钨与铬形成金属间化合物,融覆层的耐硫酸腐蚀能力显著优于lCr18Ni9T i不锈钢,且含0.5%CeO2(质量分数)的激142002年8月 表 面 技 术 第31卷 第4期 光熔覆层的腐蚀能力比含1.5%CeO2(质量分数)和不含CeO2的激光熔覆层都要强。
2 稀土在金属表面改性中的机理探讨2.1 催化作用在化学热处理中,稀土对试样表面及其周围介质有净化、活化作用,促进渗剂的分解、原子的扩散。
2.2 细化、净化组织作用稀土在喷焊、激光表面改性中有细化、净化焊层或涂层组织的作用,因为稀土是具有大原子半径的表面活性元素,易与氧、硫和硅等元素反应生成稳定化合物,这些化合物均在表面改性过程中可以作为形核核心,增加形核率,产生细化晶粒的作用,另外,一部分化合物会在凝固前从液相中上浮,在表面形成熔渣,从而使焊层、熔覆层夹杂物的含量降低,起到净化组织的作用。
由于稀土的这些作用,提高了金属表面改性层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性及降低其摩擦系数。
3 结语稀土以其独特的性能将越来越受到材料科学工作者的关注,由于金属表面改性还存在一些问题,如激光熔覆复合涂层易开裂问题,稀土能否解决这个问题,以及稀土在这些金属表面改性中行为机理,这都需要材料工作者进一步研究,从热力学、动力学角度去解释,形成一整套有关稀土在金属表面改性中的理论,使稀土能在金属表面改性中发挥其作用。
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