【摘要】：氣體滲氮是將鋼鐵零件置于一定溫度(500~580°C)的含氮氣氛中保溫一定時間后使氮原子滲入零件表面的化學(xué)熱處理技術(shù),可以顯著提高零件表面的硬度、疲勞強度、耐腐蝕及耐磨性能等。常規(guī)的氣體滲氮方法具有工藝周期長(20~80 h)、生產(chǎn)效率低以及能源消耗大等缺點,并且滲氮零件表層脆性大、易剝落,這些局限在相當(dāng)程度上限制了氣體滲氮技術(shù)的發(fā)展。如何從氣體滲氮基礎(chǔ)理論著手,開發(fā)新的快速氣體滲氮工藝以加速反應(yīng)動力學(xué)過程、提高滲氮效率、降低能源消耗,并在此基礎(chǔ)上有效改善滲氮層質(zhì)量,深層次挖掘氣體滲氮在金屬材料表面改性方面的潛力,已經(jīng)成為當(dāng)前氣體滲氮技術(shù)發(fā)展的主要方向。本文將壓力參數(shù)引入氣體滲氮工藝中,系統(tǒng)研究了純鐵及兩種合金結(jié)構(gòu)鋼的增壓氣體滲氮行為,借助光學(xué)金相(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等方法表征了增壓氣體滲氮后滲氮層組織形貌及物相結(jié)構(gòu),分析了壓力參數(shù)對滲氮層微觀組織、耐磨性能、耐腐蝕性能以及氣體滲氮動力學(xué)的影響,并結(jié)合熱力學(xué)與動力學(xué)理論討論了增壓快速氣體滲氮的機制。在此基礎(chǔ)上,還提出了增壓控滲與冷變形復(fù)合處理以及循環(huán)變壓氣體滲氮等改善滲氮層性能的新方法,并對增壓氣體滲氮在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用進行了探索。取得如下主要研究結(jié)果:研究了純鐵樣品在以NH3為介質(zhì),500°C、5 h和1~5 atm壓力條件下的氣體滲氮行為,確定了壓力參數(shù)對純鐵樣品滲氮層微觀組織、硬度及厚度的影響規(guī)律,定量計算了增壓氣體滲氮的氮勢并闡明了其隨滲氮壓力變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)純鐵的滲氮表層組織、硬度及氣氛氮勢均受介質(zhì)壓力的直接控制,且增壓氣體滲氮工藝可以顯著加速純鐵的氣體滲氮動力學(xué)過程。隨著滲氮壓力的增加,純鐵樣品表層γ′-Fe4N與ε-Fe2-3N的相比例先降低后升高,而氮勢及滲氮表層硬度均呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。純鐵樣品經(jīng)500°C和5 atm下氣體滲氮處理5 h后滲氮層厚度(1160μm)同比達(dá)到常規(guī)氣體滲氮層厚度(205μm)的5倍以上。結(jié)合熱力學(xué)與動力學(xué)理論分析了增壓氣體滲氮表層組織演變行為及滲氮層快速增厚機制,發(fā)現(xiàn)增加滲氮壓力可顯著提高氣體介質(zhì)的動能及工件表面對活性NH3及N原子的吸附能力,加大界面反應(yīng)速度,消除常規(guī)氣體滲氮中存在的氮勢波動現(xiàn)象,同時還可以抑制氨氣的分解過程,實現(xiàn)氮勢的主動控制。確定了38CrMoAlA鋼在以NH3為介質(zhì),510°C、0~0.50 MPa壓力下滲氮5 h后的氣體滲氮特性,并結(jié)合滲氮表層的相組成及硬度等系統(tǒng)表征了增壓氣體滲氮樣品的表面耐磨性能及耐腐蝕性能等。發(fā)現(xiàn)38CrMoAlA鋼的滲氮層厚度隨滲氮壓力的升高而逐漸增加,且經(jīng)510°C和0.50 MPa壓力下滲氮5 h后的滲氮層厚度可達(dá)400μm,幾乎與常規(guī)滲氮50 h所得的硬化層厚度(440μm)相當(dāng)。隨著介質(zhì)壓力的增大,滲氮樣品表層耐磨性能先降低后提高,而且表層耐蝕性能呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。提出了一種合金結(jié)構(gòu)鋼表面高強度高韌性滲氮層的快速制備新工藝,對比研究了38CrMoAlA鋼在530°C條件下,分別經(jīng)常規(guī)氣體滲氮處理30 h(0 MPa,0.50L/min)、增壓氣體控滲5 h(0.50 MPa,0.20~0.30 L/min)及復(fù)合工藝(增壓控滲5 h+30%冷軋)處理后表層的硬度、韌性、耐磨性及耐熱疲勞性能。發(fā)現(xiàn)常規(guī)氣體滲氮表層硬度較高(1165 HV),但韌性最差;增壓控滲表層硬度稍低(1080 HV),但韌性較好;復(fù)合工藝處理表層硬度(1160 HV)及韌性均較優(yōu)良。在高剪切應(yīng)力磨損條件下,增壓控滲及復(fù)合工藝處理表層的磨損失重均低于常規(guī)氣體滲氮層,且復(fù)合工藝處理表層的耐磨性能最優(yōu)。在20°C至600°C熱循環(huán)處理10~300次條件下,增壓控滲及復(fù)合工藝處理表層的抗開裂性能均優(yōu)于常規(guī)滲氮表層,相比之下復(fù)合工藝處理表層的耐熱疲勞性能最佳。研究了42CrMo鋼在既定的滲氮周期內(nèi)(6 h)以NH3為介質(zhì)、530°C及不同壓力循環(huán)次數(shù)條件下的氣體滲氮行為,確定了不同壓力循環(huán)次數(shù)下該鋼氣體滲氮層的微觀組織特性,給出了滲氮層硬度及厚度隨壓力循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律,揭示了循環(huán)壓力滲氮層快速增厚機制和滲氮表層脆性控制機理。在滲氮溫度和時間相同條件下,循環(huán)壓力氣體滲氮樣品化合物層隨壓力循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減薄,滲氮層整體厚度隨壓力循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加,同時滲氮表層脆性隨壓力循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。采用循環(huán)壓力氣體滲氮可有效抑制化合物層的生成及快速長大,在降低滲氮樣品表層脆性的同時,打破N原子的擴散屏障,進一步加速了氣體滲氮動力學(xué)過程。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG156.82

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本文編號：2413153