发展稀土表面改性技术大有前途

发展稀土表面改性技术大有前途 1 稀土材料表面改性技术符合高效节能环保绿色制造理念 材料表面改性技术近几年发展迅速，但如何进一步提高改性效能，降低处理温度，缩短工艺时间，节约能耗，减少废液废气排放，使工艺过程对环境更友好，始终是材料工作者潜心研究的问题。由于稀土元素电子结构特殊，化学活性极强，在冶金过程中，加入稀土元素，对改善金属和合金的冶金质量和组织性能有良好的效果。因此从上世纪60年代以来，研究人员开始把稀土元素引入钢的化学热处理中，取得许多成果。在此同时，人们又把稀土引入其它表面改性工艺中。如稀土在表面处理中（诸如电镀工艺中的镀铬、镀锌、镀锡等普通电镀中和复合镀、电刷镀等特种镀覆工艺以及铝合金稀土转化膜和阳极氧化技术等）就已开始获得大面积的应用。近十多年，在现代材料表面改性技术领域（例如离子注入表面改性、等离子体镀膜技术、等离子喷涂、激光表面改性、等离子表面处理、电子束表面改性等），稀土的应用基础研究又取得了一批令人嘱目的成果，并开始迈入商业化应用。这对先进材料的制备或高新技术和现代装备的研发、延寿、维修以及近年兴起的再制造工程的推广有积极意义。迄今，这方面的研究和推广应用工作还在不断进行中。 中国是众所周知的稀土资源大国，这种资源是地球赐给我们的了不起的一笔宝贵财富，据说可以比拟中东的石油。如何变资源优势为技术优势、产业优势和经济优势，是我国材料科技工作者的一项迫切而光荣的任务。另一方面，稀土催渗（催镀）作用明显（可缩短工艺周期15-25%），这已为技术界所公认；材料热处理和表面工程加工工序耗能很大，节能大有潜力可挖。稀土表面改性技术的推广应用符合绿色制造和建设节约型社会的理念。材料的研发也要结合国情。稀土材料是结合中国国情，有中国特色的典范；而稀土材料表面改性正是先进稀土材料家族中艳丽的奇葩。 2 稀土提高表面技术的改性效能 许多研究已经表明，在表面改性技术中添加适量的稀土元素，可以大大提高材料改性效能。下面略举几例。 矿用牙轮钻头是矿山采掘的重要工具。其牙爪滚柱轴承跑道不耐磨并易发生表面疲劳磨损是其主要失效形式。为提高轴承寿命，采用稀土渗碳技术。其牙爪滚柱轴承跑道（材料为20CrNiMo）在稀土渗碳后(罐冷)，经920℃×7h渗硼和860℃淬火。钻头矿山试验的结果显示，稀土渗碳的轴承寿命平均提高率达24.8-27.8%,钻头的穿孔进尺平均增加了153-190m,提高率达25-28%。稀土渗碳提高矿用牙轮钻头轴承寿命的原因是稀土微合金化作用的综合结果。稀土对基材表面的净化作用有利于提高渗层的韧性；稀土渗碳既提高了渗层碳浓度，又使碳化物颗粒细化；渗碳层中的稀土对后工序的渗硼也有积极作用，有利于减少硼化层的脆性和增加过渡层的深度，所有这些均有利于牙爪滚柱轴承跑道的强韧化，对提高钻头的寿命作出了贡献。 稀土渗硼也是许多业内人员熟悉的工艺。在渗硼中引入稀土元素，可抑制FeB的生长，有利于Fe2B相形成，且硼化物针齿细密直长，对减小硼化层脆性和提高渗层结合力十分有利。稀土渗硼工艺已在生产中获得推广应用。 作者在PVD离子镀稀土涂层改性中作过不少研究。在TiN或其体系的硬质涂层中添加稀土，可明显提高膜/基结合力，改善耐磨性，减少涂层大颗粒（液滴）和孔隙率。PVD稀土涂层刀具比未添加稀土的高温强度更好，适于在更高的切削速度下服役。 在表面改性中加入适量稀土往往对提高材料的抗氧化性或耐蚀性有积极作用，有些稀土表面改性技术已成为先进的抗高温氧化技术。稀土改性热障涂层（简称TBCS，指由耐腐蚀抗氧化的粘结底层和主要起隔热作用的面层所构成的涂层系统，用热喷涂制备）技术对于新一代军用航空发动机的发展是必不可少的关键技术，对在役的军机和在研的民用飞机航空发动机同样意义重大。有资料表明，一级涡轮叶片上涂覆TBCS后，可使涂层空气流量减少50%，比油耗减少1-2%，叶片寿命提高4倍。仅减少油耗一项，对一家较大的民航公司来说，每年可节省开支1000万美元以上。TBCS技术已在国内外航空发动机制造中获得应用。TBCS技术也正向民用工业领域拓展，在柴油机、汽车、摩托车的部件上都获得成功的应用。我国已将TBCS成功应用到炼铁高炉出渣口，使其服役寿命提高2倍以。 3 稀土对表面技术节能降耗的积极意义 稀土催渗的报导很多，如固体渗碳，20Cr钢在930℃下扩渗4h，不加稀土的仅0.8mm,而加稀土渗碳可达1.0mm。20CrMnTi钢零件要求渗碳层深度为1.6mm，930℃气体渗碳时，不加稀土渗碳需6.5-7.5h,加稀土的仅5.5-6.0h；880℃渗碳时，不加稀土渗碳需9-10h,加稀土的仅7-7.5h。上面提到的牙轮钻头的牙爪零件（表面碳浓度0.90-1.15%,渗层深度1.9-2.3mm）,在JT-105井式气体渗碳炉中930℃渗碳,稀土渗碳比常规渗碳每炉可缩短2-2.5h,工厂估算,年渗碳750炉,可节电140-180MW·h,同时可节省工时和减少设备等损耗,受到工厂欢迎,认为是节能降耗的好技术。 在其它化学热处理工艺如渗氮、碳氮共渗、渗硼中，稀土的催渗作用也很明显，大约缩短工艺周期20-25%。在各类涂覆工艺中，稀土也大多有催镀效果。这也使降低渗镀温度成为可能。热处理和其它表面处理是机械制造业的耗电大户，缩短工艺周期对节能降耗有重要意义。 4 推广稀土表面改性技术有利于环保 这方面的典型例子莫过于电镀业。以镀铬工艺为例。传统的镀液是以铬酸为基础的，铬酐耗量大，污染严重，效率低。在这样背景下稀土镀铬添加剂应运而生。从1967年开始，国内外就出现了多项含稀土化合物的镀铬专利。稀土的引入，不仅提高了电流效率，改善镀液的分散能力和深镀能力，而且加入稀土后，铬酸浓度、3价铬含量、操作温度与电流密度都可以放宽，因而镀层质量容易控制。由于稀土添加剂在镀液中具有导电作用，可使含低浓度铬酐镀液的导电率提高至可镀范围，而不必提高槽电压。因此添加少量的稀土添加剂可大量节省铬酐用量。铬酐利用率可由原来的14-17%提高到50-80%。由于稀土添加剂改善了镀液的导电性能，也就使电镀温度的下降成为可能，从而有利于减少镀液的蒸发。这些对控制环境污染是十分有意义的。 稀土在其它电镀技术，如镀锌、镀铜、电镀镍铁合金、钫银电镀和电刷镀，以及化学镀中都有重要的应用。推广应用稀土添加剂技术，完全符合当前节约资源和保护环境的方向。 发展稀土表面改性技术大有前途。