馬燕

摘要：介紹了奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳技術(shù)原理，基于Fick第二定律對(duì)該工藝過(guò)程建立模型并通過(guò)有限差分法進(jìn)行求解，求解所得結(jié)果與文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，初步驗(yàn)證了所選工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性，為以后該工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：低溫氣體滲碳 Fick第二定律 有限差分法

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，由于該類(lèi)不銹鋼具有極好的抗腐蝕性，廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、食品、醫(yī)學(xué)等行業(yè)。奧氏體不銹鋼的耐蝕性（特別是耐晶間腐蝕性能）要求其含碳量很低（含碳量一般低于0.03%），因此低碳奧氏體不銹鋼的表面硬度很低。而這一缺點(diǎn)導(dǎo)致奧氏體不銹鋼壓力容器局部易發(fā)生磨損腐蝕，進(jìn)而使介質(zhì)內(nèi)活性陰離子破壞不銹鋼表面鈍化膜使其發(fā)生點(diǎn)蝕破壞[1]。傳統(tǒng)表面滲碳技術(shù)必然在提高不銹鋼表面硬度的同時(shí)生成Cr的碳、氮化合物，導(dǎo)致不銹鋼耐蝕性能明顯下降。本文從以下幾個(gè)方面加以論證。

1 低溫氣體滲碳技術(shù)原理

低溫氣體滲碳是使C原子固溶于奧氏體基體形成一種擴(kuò)張奧氏體，稱(chēng)為S相，S相具有非常好的機(jī)械特性與耐腐蝕性能[3，4]。過(guò)飽和的C原子溶于奧氏體會(huì)使原來(lái)的奧氏體面心立方晶格轉(zhuǎn)變成面心四方晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它的表面硬度和耐磨性大幅度增強(qiáng)。但是擴(kuò)張的奧氏體組織不穩(wěn)定，在高溫下容易分解為原來(lái)的面心立方結(jié)構(gòu)并析出Cr的碳化物。通常Cr的碳化物的生成溫度為550℃，所以?shī)W氏體不銹鋼的低溫氣體滲碳指的是在低于550℃的條件下進(jìn)行滲碳處理[3]，因此經(jīng)該技術(shù)強(qiáng)化后的不銹鋼表面在大量提高表面硬度的同時(shí)不降低其優(yōu)秀耐蝕性能。

2 滲碳數(shù)學(xué)模型的建立

本文模型的建立以Fick第二定律為基礎(chǔ)，時(shí)間和空間均采用有限差分方法進(jìn)行離散，計(jì)算不銹鋼在發(fā)生低溫滲碳時(shí)碳濃度場(chǎng)的分布。低溫氣體滲碳過(guò)程中沒(méi)有碳化物生成，因此模擬該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型主要指擴(kuò)散過(guò)程的計(jì)算。計(jì)算分兩步進(jìn)行：第一步以Fick第二定律為基礎(chǔ)，利用有限差分法對(duì)時(shí)間和空間進(jìn)行離散，得出需要求解的滲碳模型。第二步求出模型中待定的模型參數(shù)，并對(duì)模型進(jìn)行求解。

3 擴(kuò)散模型中參數(shù)的求解

美國(guó)Swagelok公司滲碳后滲層厚度在25μm左右，滲碳時(shí)間在20～30小時(shí)左右，因此設(shè)空間步長(zhǎng)Δx為1μm，時(shí)間步長(zhǎng)Δt為10min。由材料的基體碳含量可以得出滲碳的初始條件及邊界條件，需要求解的三個(gè)參數(shù)主要包括：碳的擴(kuò)散系數(shù)、碳的傳遞系數(shù)以及氣氛碳勢(shì)。

4 模擬結(jié)果與討論

通過(guò)以不同CO、H2、N2混合情況下得出的傳遞系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行求解，得出在三者以3：3：4比例混合時(shí)，模擬結(jié)果較為理想。以該比例混合平衡時(shí)，水蒸氣與氫氣的體積分?jǐn)?shù)分別為16.73%、12.12%，二者的分壓分別為0.1673atm，

0.1212atm，求得A=5.4467×10-10，B=0.1614，即可求出碳的傳遞系數(shù)為：bata=■=2.43×10-10m/s

盡管如此，但仍有一些偏差，比如表面碳濃度只有10%左右等，產(chǎn)生這些偏差原因有很多，比如為了計(jì)算方便，假設(shè)碳的擴(kuò)散系數(shù)保持不變，實(shí)際上碳的擴(kuò)散系數(shù)與奧氏體表面碳濃度及溫度有關(guān)。另外碳的傳遞系數(shù)求解過(guò)程中假設(shè)爐內(nèi)各氣體成分濃度保持不變，實(shí)際上隨著滲碳的進(jìn)行，這些成分濃度都會(huì)發(fā)生變化等，這些都會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)一定誤差。

5 結(jié)論

①通過(guò)查閱文獻(xiàn)及理論計(jì)算求出低溫氣體滲碳過(guò)程中的擴(kuò)散系數(shù)DC=1.027×10-15m2s-1、傳遞系數(shù)bata=2.43×10-10m/s、爐氣碳勢(shì)Cg=11.5%（at%），為以后滲碳工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

②采用有線差分法對(duì)滲碳過(guò)程中碳濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得到碳濃度在不同時(shí)間沿滲層的分布曲線，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸燕，姜清.奧氏體不銹鋼壓力容器的腐蝕與防護(hù)[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2006，22（9）：4-7.

[2]吳金金，張良界，潘鄰，等.奧氏體不銹鋼低溫滲碳技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].熱處理技術(shù)與裝備，2009，30（4）：22-27.

[3]王順興，劉勇，魏世忠.氣體滲碳數(shù)學(xué)模型及物理參數(shù)的計(jì)算[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2002，23（1）：36-39.