碳原子在钴粘结相中的扩散系数研究

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1、第23卷增刊yof．23g易口如，Mm硬质合金c￡MENTEDCARBfDE2006年9月Sep．2006碳原子在钴粘结相中的扩散系数研究羊建高1’2王海兵2刘咏2黄伯云2(1．崇义章源钨制品有限公司，赣州341300；2．中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)1前言摘要对硬质合金渗碳时碳原子在钴粘结相中的扩散进行了研究，所导出的扩散系数方程式适用于非金属扩散原子在液态金属中的扩散系数计算，所得到的结果与实际具有较好的符合性。关键词硬质合金碳粘结相扩散系数在研究渗碳法制备梯度结构硬质合金的原理及梯度形成机理时，为了建立碳原子在钴粘

2、结相中的扩散动力学方程，确定合金中梯度层厚度与渗碳工艺的定量关系，需对碳原子在钴粘结相中的扩散系数进行研究【11。J．R．Cahoon等酬认为，扩散原子在液态金属中的扩散系数遵从Arrhenius指数方程，并且推导了一系列用于计算扩散激活能的方程，根据这些方程和实验数据可以计算出部分金属原子在液态金属中的扩散系数。考虑非金属扩散原子与溶剂金属原子尺度关系及对扩散的影响，Rajendra等151计算了氮、氧原子在液态金属In、Sn、Ag、Bi、Cu、Fe、Pb以及Ga等金属中的扩散系数。然而，到目前为止，尚未发现碳原子在钴粘结相中扩散系数的计算

3、资料及相关报道o_2前人的工作J．R．Cahoon等f2-41研究了固态金属自扩散，液态金属自扩散及扩散原子在液态金属中的扩散系数。J．R．Cahoon等认为，对于固态金属的自扩散，其扩散系数遵循Arrhenius方程：D．af=Doexp(-Q'o／RT)(1)其中自扩散激活能Q～可由下式表示：Q帑R1×16+Ko)(2)式中l(o为原子的价态，对于具有体心立方(bcc)结构的金属，Ko=l；对于具有密排六方(hcp)结构的金属，妫=2；对于具有面心立方(fcc)结构的金属，Ko=3。Tm为金属的熔点，R为气体常数。在讨论液态金属自扩散时，

4、考虑到原子在液相中的扩散更容易，所需的激活能远小于固态自扩散时所需的激活能，J．R．Cahoon等口1认为自扩散激活能可由下式表示：QLo=O．17RTdl6+K0)(3)将式(3)代入式(1)可得到液态金属自扩散系数方程：DBs=D．出=Doexp(-QLo／RT)(4)考虑到扩散原子在液态金属中的扩散系数符合Arrhenius关系，J．ILCahoon建立了下述扩散系数方程：DAs=Doexp[-(AQL+QLo)／RT](5)由(5)式可以看出，当D。确定时，若能够计算出扩散原子的扩散激活能AQL+QL0，则可以容易地确定液态温度下扩散

5、原子的扩散系数。QLo可由(3)式给出，AQ。可由下式确定：AQt=_一旦!；字：乏；；警：}exp卜(1lqodl6)](6)式中l(0为溶剂原子的价态；e为电子电量；a是原子单次跳跃距离；d为与溶剂特性及z2值有关的作者简介：羊建高(1958一)男．博士。教授级高级工程师．主要从事硬质合金的研究开发、生产与管理工作。￥鼍∥．j

6、I学l}{II科带{II料恭{

7、I材带≯摹凑增刊羊建高．王海兵．刘咏．黄伯云：碳原子在钴粘结相中的扩散系数研究常数；Z：为扩散原子在溶剂中的有效价态，可以由式(7)确定；q值由(8)式确定。z2=V怨”一V掣=o．

8、33(EP“一E产)+V嚣掣一V器掣(7)q2=譬(孚)·厅(8)式中为原子的Fermi能级，V删为原子的En-gel—Brewer价态，m为电子质量，e为电子电量，h为Plank常数，N。为单位体积液态金属的价电子数。的具体计算过程参见J．R．Cahoon等的论文叫1。由此可见，扩散原子在液态金属中的扩散激活能的计算是复杂的。有些重要参数需要通过实验测定，每个参数的精确度会直接影响计算结果。Rajendra等IsI认为，O、N等扩散原子在液态金属中的扩散除了受液态金属的特性和扩散温度影响之外，还受扩散原子与液态金属原子尺寸的影响，他们建立了

9、如下的关系式：D胆-器D曲式中D。和D。分别为溶剂金属原子和扩散原子的直径，D明为液态金属的自扩散系数，其值由下式确定：昧警(V-vV。o)(10)其中8=0．63d；V为液态原子的体积；R为气体常数；T为扩散温度；Vo为液态金属粘度无限大时的原子体积；B为液态金属的特征常数。合并(9)和(10)式，得到如下的扩散系数方程：D柚：o．2罢血【罟(学)(11)UIAV0目前，(5)式主要用于计算金属原子在液态金属中的扩散系数。它假定金属原子在液态金属中的扩散过程为热激活过程，通过计算原子扩散激活能获得原子的扩散系数数据。按(5)式所计算的扩散数

10、据与实验结果符合较好。Rajendra等‘习利用(11)式计算了O、N等扩散原子在液态金属中的扩散数据，也取得了较好的结果，但(5)式和(11)式中一些参数的计算及