提高元素扩散速度的均匀化扩散退火方法

摘要

本发明公开了一种提高元素扩散速度的均匀化扩散退火方法，其将金属材料加热，保温，然后缓慢冷却，其特征在于：在惰性气体保护中，温度为800℃～1000℃、对金属材料施加低压大电流的条件下，进行保温。本均匀化扩散退火方法能提高元素在固态金属的中扩散速度高达41%以上；具有简单易行，设备成本低，能耗低，清洁无公害的特点；在提高元素扩散速度的同时，实现了少氧化热处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扩散退火方法，尤其是一种提高元素扩散速度的均匀化扩散退火方法。

背景技术

扩散退火又称均匀化退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。

原子在固体中从高浓度区域向低浓度区域的运动称为扩散。扩散在冶金生产和材料制备过程中的影响举足轻重，它影响着冶金产品及材料的质量、寿命。在金属热处理过程中通过扩散退火可以改善因凝固带来的合金成分的不均匀性；利用扩散，可以在金属表面进行渗金属或非金属的处理，以提高材料的表面强度、耐腐蚀性、导电导热性等物理性能，达到延长金属材料的使用寿命或使材料具备特定性能等目的；利用扩散，还可制备高科技领域中所需的各种功能材料，如功能梯度材料等。

扩散退火又称均匀化退火，其传统工艺是将金属加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却。外界因素对于扩散系数的影响很大，尤其是温度的影响。在固相线附近，置换型固溶体中扩散组元的扩散系数为10^-12～10^-13m²·s^-1，间隙固溶体中扩散组元的扩散系数为10^-9～10^-10 m²·s^-1，而在室温下分别为10^-24～10^-54m²·s^-1和10^-14～10^-34m²·s^-1。实际上，尤其是置换型固溶体中的扩散过程，只能在高温下进行。高温均匀化扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。所以，提高元素的扩散系数，缩短扩散退火时间，降低扩散退火温度和防止工件的氧化，一直是科研工作者研究的课题。

随着新能源、新技术的开发使用，一些外形式的能量如激光束、电子束、等离子场、电磁场等被用于辅助热能进行金属均匀化退火。这些外加的能量在一定程度上提高了元素在固态金属中的扩散速度，但也存在着一些不足。激光处理前需要预先进行黑化处理，增加了工序，同时黑化质量会影响激光热处理的效果；当前，激光器的工业效率，即电—光能量转换效率很低；同时，激光热处理设备价格昂贵且需要高熟练技术的操作人员。电子束、等离子场热处理会使工件表面成分、组织结构及性能发生变化；同时，电子束、等离子场热处理过程需要在高真空中进行，真空装置价格昂贵，投资较高；真空系统也容易出问题，增加维修工作量。电磁场热处理需要上千伏甚至上万伏的电压和很高的电磁频率，能耗较高，同时操作危险系数高，恶化工作环境。鉴于上述原因，研究能提高均匀化扩散退火中元素扩散速度的新方法，实现快速热处理、节能热处理、清洁热处理以及少氧化和无氧化热处理是科研工作者努力的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简单易行、能有效的提高元素扩散速度的均匀化扩散退火方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其将金属材料加热，保温，然后缓慢冷却；其在惰性气体保护中，温度为800℃～1000℃、对金属材料施加低压大电流的条件下，进行保温。

本发明优选的低压大电流为电压小于2V、电流密度为30A/cm²～50A/cm²的直流电。

本发明中的低压大电流通过铜导体直接作用于金属材料。

本发明优选的惰性气体保护为流动的纯净氩气保护。

本发明所述的金属材料为表面存在元素富集梯度层的固态金属材料或存在枝晶偏析及区域偏析的固态金属材料。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提高元素在固态金属的中扩散速度高达41%以上；具有简单易行，设备成本低，能耗低，清洁无公害的特点；在提高元素扩散速度的同时，实现了少氧化热处理。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本提高元素扩散速度的均匀化扩散退火方法，是在流动的纯净氩气氛中将均匀化退火装置升温到预定温度，将表面存在元素富集梯度层的固态金属材料或存在枝晶偏析及区域偏析的固态金属材料置于均匀化扩散退火装置中，同时将小于2V的低压且电流密度为30A/cm²～50A/cm²的高密度直流电，通过铜导体，直接作用于进行均匀化扩散退火的固态金属材料两端，辅助热能进行均匀化扩散退火。保温一定时间，待扩散组元在基体中扩散均匀后，断电，同时停止加热，并将退火后的金属材料在保护气氛中冷却至室温。为了防止退火试样及铜导体的氧化，同时避免铜导体的熔化，均匀化退火温度800℃～1000℃，且退火全过程均在流动的纯净氩气氛的保护下进行。其工作机理如下：均匀化扩散退火过程中，高密度直流电连续且不变的电流作用，产生了附加能量以及“电子风力”，提高了扩散组元的振动频率，使空位源增加，促进了固态金属中扩散组元从高浓度向低浓度方向跃迁，使扩散组元在基体中的扩散激活能Q降低，扩散常数D₀增大，从而增大了扩散组元在基体中的扩散系数，使其扩散速度加快。

实施例1：

在流动的纯净氩气氛中将均匀化退火装置升温到预定温度800℃，将两个熔盐电沉积法渗硅所得的表面层含硅较高的冷轧硅钢片（基体硅含量3.15wt%）试样置于均匀化扩散退火装置中；同时将电压为1.25V、电流密度为50A/cm²的高密度直流电流，通过铜导体，直接作用于进行均匀化扩散退火的其中的一个硅钢片试样两端，辅助热能进行均匀化扩散退火。保温10min后，断电，同时停止加热，将退火后的两个试样在流动的氩气氛中冷却至室温，得到电流退火试样和无电流扩散退火试样。

通过对两个扩散退火的试样表面渗硅层的硅分布情况进行辉光光谱分析： 800℃、施加电压为1.25V、电流密度为50A/cm²直流电流时的试样中Si的扩散系数为1.097×10^-13m²·s^-1，较无电流扩散退火提高了41%；同时，扫描电镜分析结果表明，电流退火试样的表面质量明显优于无电流扩散退火试样。

实施例2：

在流动的纯净氩气氛中将均匀化退火装置升温到预定温度900℃，将两个熔盐电沉积法渗硅所得的表面层含硅较高的冷轧硅钢片（基体硅含量3.15wt%）试样置于均匀化扩散退火装置中；同时将电压为1V、电流密度为40A/cm²的高密度直流电流，通过铜导体，直接作用于进行均匀化扩散退火的其中的一个硅钢片试样两端，辅助热能进行均匀化扩散退火。保温10min后，断电，同时停止加热，将退火后的两个试样在流动的氩气氛中冷却至室温，得到电流退火试样和无电流扩散退火试样。

通过对两个扩散退火的试样表面渗硅层的硅分布情况进行辉光光谱分析，得到900℃施加电压为1V、电流密度为40A/cm²直流电流的试样中Si的扩散系数为5.531×10^-13m²·s^-1，较无电流扩散退火提高了54%；同时，扫描电镜分析结果表明，电流退火试样的表面质量明显优于无电流扩散退火试样。

实施例3：

在流动的纯净氩气氛中将均匀化退火装置升温到预定温度1000℃，将两个熔盐电沉积法渗硅所得的表面层含硅较高的冷轧硅钢片（基体硅含量3.15wt%）试样置于均匀化扩散退火装置中；同时将电压为0.75V、电流密度为30A/cm²的高密度直流电流，通过铜导体，直接作用于进行均匀化扩散退火的其中的一个硅钢片试样两端，辅助热能进行均匀化扩散退火。保温10min后，断电，同时停止加热，将退火后的两个试样在流动的氩气氛中冷却至室温，得到电流退火试样和无电流扩散退火试样。

通过对两个扩散退火的试样表面渗硅层的硅分布情况进行辉光光谱分析，得到1000℃施加电压为0.75V、电流密度为30A/cm²直流电流的试样中Si的扩散系数为9.475×10^-13m²·s^-1，较无电流扩散退火提高了43%；同时，扫描电镜分析结果表明，电流退火试样的表面质量明显优于无电流扩散退火试样。

实施例4：

在流动的纯净氩气氛中将均匀化退火装置升温到预定温度850℃，将两个熔盐电沉积法渗硅所得的表面层含硅较高的冷轧硅钢片（基体硅含量3.15wt%）试样置于均匀化扩散退火装置中；同时将电压为1.85V、电流密度为35A/cm²的高密度直流电流作用于进行均匀化扩散退火的其中的一个硅钢片试样两端，辅助热能进行均匀化扩散退火。保温15min后，断电，同时停止加热，将退火后的两个试样在流动的氩气氛中冷却至室温，得到电流退火试样和无电流扩散退火试样。

通过对两个扩散退火的试样表面渗硅层的硅分布情况进行辉光光谱分析： 850℃、施加电压为1.85V、电流密度为35A/cm²直流电流时的试样中Si的扩散系数为1.536×10^-13m²·s^-1，较无电流扩散退火提高了42%；同时，扫描电镜分析结果表明，电流退火试样的表面质量明显优于无电流扩散退火试样。

实施例5：

在流动的纯净氩气氛中将均匀化退火装置升温到预定温度950℃，将两个熔盐电沉积法渗硅所得的表面层含硅较高的冷轧硅钢片（基体硅含量3.15wt%）试样置于均匀化扩散退火装置中；同时将电压为0.25V、电流密度为45A/cm²的高密度直流电流作用于进行均匀化扩散退火的其中的一个硅钢片试样两端，辅助热能进行均匀化扩散退火。保温25min后，断电，同时停止加热，将退火后的两个试样在流动的氩气氛中冷却至室温，得到电流退火试样和无电流扩散退火试样。

通过对两个扩散退火的试样表面渗硅层的硅分布情况进行辉光光谱分析： 950℃、施加电压为0.25V、电流密度为45A/cm²直流电流时的试样中Si的扩散系数为7.973×10^-13m²·s^-1，较无电流扩散退火提高了51%；同时，扫描电镜分析结果表明，电流退火试样的表面质量明显优于无电流扩散退火试样。