[發明專利]提高元素擴散速度的均勻化擴散退火方法

無效

• 申請號: 201110143318.1
• 申請日: 2011-05-27
• 公開（公告）號: CN102220460A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 李運剛;張快;楊海麗;劉麗敏
• 申請（專利權）人: 河北聯合大學
• 主分類號: C21D1/26
• 分類號: C21D1/26;C21D1/40
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標事務所有限公司 13108
• 代理人: 李桂芳;曹淑敏

技術領域

本發明涉及一種擴散退火方法，尤其是一種提高元素擴散速度的均勻化擴散退火方法。

背景技術

擴散退火又稱均勻化退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。其目的是消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均勻化。

原子在固體中從高濃度區域向低濃度區域的運動稱為擴散。擴散在冶金生產和材料制備過程中的影響舉足輕重，它影響著冶金產品及材料的質量、壽命。在金屬熱處理過程中通過擴散退火可以改善因凝固帶來的合金成分的不均勻性；利用擴散，可以在金屬表面進行滲金屬或非金屬的處理，以提高材料的表面強度、耐腐蝕性、導電導熱性等物理性能，達到延長金屬材料的使用壽命或使材料具備特定性能等目的；利用擴散，還可制備高科技領域中所需的各種功能材料，如功能梯度材料等。

擴散退火又稱均勻化退火，其傳統工藝是將金屬加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻。外界因素對于擴散系數的影響很大，尤其是溫度的影響。在固相線附近，置換型固溶體中擴散組元的擴散系數為10^-12～10^-13m²·s^-1，間隙固溶體中擴散組元的擴散系數為10^-9～10^-10?m²·s^-1，而在室溫下分別為10^-24～10^-54m²·s^-1和10^-14～10^-34m²·s^-1。實際上，尤其是置換型固溶體中的擴散過程，只能在高溫下進行。高溫均勻化擴散退火生產周期長，消耗能量大，工件氧化、脫碳嚴重，成本很高。所以，提高元素的擴散系數，縮短擴散退火時間，降低擴散退火溫度和防止工件的氧化，一直是科研工作者研究的課題。

隨著新能源、新技術的開發使用，一些外形式的能量如激光束、電子束、等離子場、電磁場等被用于輔助熱能進行金屬均勻化退火。這些外加的能量在一定程度上提高了元素在固態金屬中的擴散速度，但也存在著一些不足。激光處理前需要預先進行黑化處理，增加了工序，同時黑化質量會影響激光熱處理的效果；當前，激光器的工業效率，即電—光能量轉換效率很低；同時，激光熱處理設備價格昂貴且需要高熟練技術的操作人員。電子束、等離子場熱處理會使工件表面成分、組織結構及性能發生變化；同時，電子束、等離子場熱處理過程需要在高真空中進行，真空裝置價格昂貴，投資較高；真空系統也容易出問題，增加維修工作量。電磁場熱處理需要上千伏甚至上萬伏的電壓和很高的電磁頻率，能耗較高，同時操作危險系數高，惡化工作環境。鑒于上述原因，研究能提高均勻化擴散退火中元素擴散速度的新方法，實現快速熱處理、節能熱處理、清潔熱處理以及少氧化和無氧化熱處理是科研工作者努力的目標。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種簡單易行、能有效的提高元素擴散速度的均勻化擴散退火方法。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：其將金屬材料加熱，保溫，然后緩慢冷卻；其在惰性氣體保護中，溫度為800℃～1000℃、對金屬材料施加低壓大電流的條件下，進行保溫。

本發明優選的低壓大電流為電壓小于2V、電流密度為30A/cm²～50A/cm²的直流電。

本發明中的低壓大電流通過銅導體直接作用于金屬材料。

本發明優選的惰性氣體保護為流動的純凈氬氣保護。

本發明所述的金屬材料為表面存在元素富集梯度層的固態金屬材料或存在枝晶偏析及區域偏析的固態金屬材料。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明提高元素在固態金屬的中擴散速度高達41%以上；具有簡單易行，設備成本低，能耗低，清潔無公害的特點；在提高元素擴散速度的同時，實現了少氧化熱處理。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細的說明。