低溫氣體滲碳工藝過程模擬與參數(shù)研究

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第二定律對該工藝過程建立模型并通過有限差分法進行求解，求解所得結(jié)果與文獻中試驗數(shù)據(jù)符合較好，初步驗證了所選工藝參數(shù)的準確性，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，由于該類不銹鋼具有極好的抗腐蝕性，廣泛應(yīng)用于化工、機械、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。而這一缺點導(dǎo)致奧氏體不銹鋼壓力容器局部易發(fā)生磨損腐蝕，進而使介質(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張奧氏體，稱為S相，S相具有非常好的機械特性與耐腐蝕性能[3，4]。過飽和的C原子溶于奧氏體會使原來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。但是擴張的奧氏體組織不穩(wěn)定，在高溫下容易分解為原來的面心立方結(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℃，所以奧氏體不銹鋼的低溫氣體滲碳指的是在低于550℃的條件下進行滲碳處理[3]，因此經(jīng)該技術(shù)強化后的不銹鋼表面在大量提高表面硬度的同時不降低其優(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)，時間和空間均采用有限差分方法進行離散，計算不銹鋼在發(fā)生低溫滲碳時碳濃度場的分布。低溫氣體滲碳過程中沒有碳化物生成，因此模擬該過程的數(shù)學(xué)模型主要指擴散過程的計算。計算分兩步進行：第一步以Fick第二定律為基礎(chǔ)，利用有限差分法對時間和空間進行離散，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)，并對模型進行求解。

3 擴散模型中參數(shù)的求解

美國Swagelok公司滲碳后滲層厚度在25μm左右，滲碳時間在20～30小時左右，因此設(shè)空間步長Δx為1μm，時間步長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，需要求解的三個參數(shù)主要包括：碳的擴散系數(shù)、碳的傳遞系數(shù)以及氣氛碳勢。

4 模擬結(jié)果與討論

通過以不同CO、H2、N2混合情況下得出的傳遞系數(shù)對模型進行求解，得出在三者以3：3：4比例混合時，模擬結(jié)果較為理想。以該比例混合平衡時，水蒸氣與氫氣的體積分數(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，比如為了計算方便，假設(shè)碳的擴散系數(shù)保持不變，實際上碳的擴散系數(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)求解過程中假設(shè)爐內(nèi)各氣體成分濃度保持不變，實際上隨著滲碳的進行，這些成分濃度都會發(fā)生變化等，這些都會給計算結(jié)果帶來一定誤差。

5 結(jié)論

①通過查閱文獻及理論計算求出低溫氣體滲碳過程中的擴散系數(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采用有線差分法對滲碳過程中碳濃度場進行了模擬，得到碳濃度在不同時間沿滲層的分布曲線，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合。

參考文獻：

[1]陸燕，姜清.奧氏體不銹鋼壓力容器的腐蝕與防護[J].中國特種設(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)的計算[J].材料熱處理學(xué)報，2002，23（1）：36-39.