本文關(guān)鍵詞：合金結(jié)構(gòu)鋼稀土滲氮及滲層硬度增強(qiáng)機(jī)理研究

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【摘要】：滲氮是常見的合金鋼表面硬度強(qiáng)化熱處理工藝。但是滲氮熱處理時(shí)間長、能耗高,已經(jīng)越來越難以滿足節(jié)能減排形勢的需要。近年來,通過在滲氮工藝中添加稀土元素,采用稀土滲氮來提高滲氮速度、減少滲氮時(shí)間的熱處理工藝已引起學(xué)術(shù)界和工程界的重視。滲氮實(shí)踐表明,采用稀土滲氮不僅能夠加快滲速、降低能耗,而且能夠改善滲層的組織結(jié)構(gòu)和性能,強(qiáng)化滲層表面的硬度和耐磨性。但目前對稀土在滲氮中的催滲和硬度增強(qiáng)機(jī)理的研究卻明顯滯后,難以滿足稀土滲氮工藝的實(shí)踐需要。本文針對三種常見的合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行稀土滲氮和常規(guī)滲氮對比試驗(yàn),從宏觀和微觀兩方面研究探討稀土在滲氮工藝中的催滲和硬度增強(qiáng)機(jī)理。采用井式滲氮爐和研制的稀土催滲劑對40CrNiMo、42CrMo和38CrMoAl鋼分別進(jìn)行常規(guī)滲氮和稀土滲氮試驗(yàn)。運(yùn)用金相顯微鏡對試樣滲層顯微組織進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)在放大500倍時(shí),滲層組織并無明顯差異；運(yùn)用掃描電鏡進(jìn)行點(diǎn)成分和線掃描濃度分析,檢測稀土元素滲入的位置及其分布,發(fā)現(xiàn)稀土可滲入到鋼表層,且滲入量晶界處大于晶內(nèi)。運(yùn)用顯微硬度計(jì)對試樣進(jìn)行檢測,同一鋼種的稀土滲氮表面硬度高于常規(guī)滲氮50-150HV,且脆性不增加。通過滲層增厚動(dòng)力學(xué)分析,得出相同溫度和時(shí)間條件下,稀土滲氮可使?jié)B層明顯增厚,滲速提高30～40%。運(yùn)用透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn),稀土滲入后試樣微觀結(jié)構(gòu)變復(fù)雜,亞結(jié)構(gòu)晶粒變小�；谙」倘荏w和柯氏氣團(tuán)等理論,稀土在滲氮過程中的催滲作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,首先稀土鹽催滲劑在爐氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成稀土氫化物(ReH2或ReH3),然后稀土氫化物后被鋼表面吸附發(fā)生界面反應(yīng),生成稀土氮化物(Re[N])。具有活性的Re[N]在極化作用下以稀土氮化物形態(tài),按空位和短路機(jī)制等缺陷滲入鋼的表層。滲入的稀土原子與鐵互溶生成稀固溶體,使得Fe點(diǎn)陣產(chǎn)生彈性膨脹畸變,引發(fā)刃性位錯(cuò)和缺陷密度增殖。氮原子在刃狀位錯(cuò)處聚集,導(dǎo)致生成柯氏氣團(tuán)。這一系列作用導(dǎo)致氮原子的擴(kuò)散系數(shù)D增大、傳遞系數(shù)β增大、表層與晶內(nèi)濃度差增大,使得滲速增加。另外,稀土大原子向工件表面沖擊產(chǎn)生的較大動(dòng)能,加快了爐氣交換,從而進(jìn)一步加快了滲氮速率。稀土原子的滲入改變了鋼表層晶粒和晶界結(jié)構(gòu)。對晶粒組織的影響在于引發(fā)的位錯(cuò)類似于對鋼晶體組織亞結(jié)構(gòu)的切割,使晶粒細(xì)化,晶粒亞結(jié)構(gòu)改變,利用霍爾佩奇公式分析強(qiáng)度得出一系列強(qiáng)度疊加效應(yīng),使硬度增強(qiáng)。對晶界結(jié)構(gòu)的影響在于稀土原子沿晶界滲入和擴(kuò)散,會(huì)誘導(dǎo)晶界遷移,使晶界表面突壁和扭折密度發(fā)生變化,使晶界壓縮,限制晶粒的移動(dòng),宏觀表現(xiàn)為硬度增加；生成的氣團(tuán),使氮原子偏聚區(qū)增多、產(chǎn)生釘扎效應(yīng),減少不良氮化物的生成,同時(shí)氣團(tuán)最終形成氮化物Fe4N為準(zhǔn)球狀,細(xì)小彌散,不會(huì)引起應(yīng)力集中,而會(huì)對晶界產(chǎn)生釘扎作用,產(chǎn)生晶界強(qiáng)化作用,導(dǎo)致硬度增強(qiáng),脆性不變。
【關(guān)鍵詞】：合金結(jié)構(gòu)鋼 稀土滲氮 滲層硬度 催滲與增強(qiáng)機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱商業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG156.82
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-24
• 1.1 課題的來源12
• 1.2 課題研究的目的及意義12-13
• 1.3 滲氮概述13-16
• 1.3.1 滲氮基本原理13-14
• 1.3.2 滲氮層組織及性能14-15
• 1.3.3 氮化種類及特點(diǎn)15-16
• 1.4 稀土化學(xué)熱處理16-18
• 1.4.1 稀土元素及其結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)16-17
• 1.4.2 稀土催滲和催滲劑的類型及應(yīng)用17-18
• 1.5 稀土催滲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢18-23
• 1.5.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-22
• 1.5.2 發(fā)展趨勢22-23
• 1.6 研究內(nèi)容及主要工作23-24
• 2 滲氮工藝及試驗(yàn)方案24-33
• 2.1 試驗(yàn)材料24-27
• 2.1.1 材料選擇背景24-25
• 2.1.2 材料成分及處理狀態(tài)25
• 2.1.3 試樣加工前處理25-26
• 2.1.4 稀土催滲劑26-27
• 2.2 試驗(yàn)工藝方案及裝置27-30
• 2.2.1 氮化工藝方案27-28
• 2.2.2 滲氮裝置28-30
• 2.3 分析測試方法30-32
• 2.3.1 顯微硬度測試31
• 2.3.2 金相組織觀察31
• 2.3.3 能譜觀測31-32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 3 滲氮試驗(yàn)結(jié)果及分析33-43
• 3.1 滲層組織結(jié)構(gòu)分析33-38
• 3.1.1 金相組織觀察結(jié)果33-34
• 3.1.2 掃描電鏡觀察結(jié)果34-38
• 3.2 滲層顯微硬度分布與滲層增厚動(dòng)力學(xué)38-42
• 3.2.1 滲層顯微硬度分布38-40
• 3.2.2 滲層增厚動(dòng)力學(xué)40-42
• 3.3 本章小結(jié)42-43
• 4 稀土氮化催滲機(jī)理分析43-55
• 4.1 稀土元素在爐氣中的反應(yīng)43-44
• 4.2 稀土元素的表面吸附和界面反應(yīng)44-45
• 4.3 反應(yīng)可行性驗(yàn)證45-47
• 4.4 稀土元素的擴(kuò)散機(jī)理47
• 4.5 稀土原子對滲氮速度的影響47-54
• 4.5.1 彈性應(yīng)力場與位錯(cuò)線的生成與作用49-52
• 4.5.2 柯氏氣團(tuán)的生成與作用52-53
• 4.5.3 稀土原子的動(dòng)量碰撞及爐氣界面交換53-54
• 4.6 本章小結(jié)54-55
• 5 稀土氮化滲層硬度增強(qiáng)機(jī)理分析55-62
• 5.1 稀土元素對晶粒結(jié)構(gòu)的影響56-58
• 5.2 稀土元素對晶界結(jié)構(gòu)的影響58-61
• 5.2.1 大原子擠壓作用59
• 5.2.2 氣團(tuán)的作用59-61
• 5.3 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-63
• 參考文獻(xiàn)63-66
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文66-67
• 致謝67

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本文編號：1122048