本文關(guān)鍵詞：中碳低合金鋼滲氮與激光淬火復(fù)合改性層組織與性能，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：中碳低合金鋼深層表面改性是表面工程領(lǐng)域亟待解決的問題之一。提高化學(xué)熱處理溫度或是延長處理時(shí)間可以獲得較厚的滲層但易導(dǎo)致組織粗化,力學(xué)性能下降。本文將低溫等離子體滲氮及稀土氮碳共滲技術(shù)應(yīng)用于38Cr Mo Al鋼及30Cr Mn Si A鋼的表面改性,研究中碳低合金鋼滲層組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能,揭示低溫滲氮層強(qiáng)韌化機(jī)制及稀土作用機(jī)制;并結(jié)合激光淬火形成了一種在中碳低合金鋼表面獲得硬度與厚度倍增的復(fù)合改性層的方法,揭示復(fù)合改性深層硬化機(jī)制。低溫離子滲氮溫度控制在460~500°C。滲氮溫度高于500°C時(shí),滲層組織中有大量的氮化物沿晶界析出,形成脈狀組織;低于460°C時(shí),組織較好,但滲層較薄。460°C滲氮表面無明顯化合物層,在距表面~30mm內(nèi)形成耐蝕白層,衍射峰偏移與寬化明顯。XRD及TEM(HRTEM)觀察結(jié)果表明在距離滲氮表面30mm的區(qū)域內(nèi),晶粒尺寸為十至幾十納米,SAED結(jié)果標(biāo)定納米晶粒為N膨脹馬氏體a￠N。超低氮?dú)浔葷B氮研究發(fā)現(xiàn)在溫度高達(dá)590°C,氮?dú)浔鹊椭?.05:0.4時(shí),可在38Cr Mo Al鋼表面形成單相a￠N層。通過TEM觀察,a￠N相的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)。與g￠-Fe4N與e-Fe2-3N相相比,高溫獲得的a￠N相的硬度顯著提高,楊氏模量略有提升。a￠N相的H/E比值相比于g￠-Fe4N與e-Fe2-3N相分別提高了25.5%及28%;而H3/E2比值則分別提高了141.67%及132%。相比于高溫a￠N的數(shù)據(jù),低溫a￠N的H/E比值提高了4.7%,H3/E2比值提高了25.9%。組織超細(xì)化使低溫a￠N層具有更高的強(qiáng)韌性。本文對(duì)滲氮表面化合物層中g(shù)￠-Fe4N相的擇優(yōu)取向的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)磨損性能的影響進(jìn)行了研究。在低溫低氮滲氮表面可以獲得(200)g￠擇優(yōu)取向,并且隨滲氮時(shí)間延長擇優(yōu)取向增強(qiáng)。經(jīng)過72h長時(shí)間循環(huán)滲氮可在表面形成(220)g￠擇優(yōu)取向。通過實(shí)驗(yàn)及第一性原理計(jì)算的方法獲得如下四組取向關(guān)系:{(0001)e//(101)a￠,[110]e//[111]a￠};{(111)g￠//(0001)e,[011]g￠//[1 2 10]e};{(200)g￠//(110)a￠,[011]g￠//[111]a￠}以及{(1 1 03)e//(220)g￠,[0100]e//[1 1 0]g￠}。g￠-Fe4N相的擇優(yōu)取向與其析出路徑有關(guān):a￠N#174;g￠以及a￠N#174;e#174;g￠。(200)g￠擇優(yōu)取向的試樣摩擦系數(shù)與磨損率低于(220)g￠擇優(yōu)試樣;(111)g￠擇優(yōu)試樣由于滑移系 平行于滑動(dòng)平面,摩擦系數(shù)低但磨損率較高。因此,(200)g￠擇優(yōu)取向有助于提高試樣的耐磨性能。低溫稀土氮碳共滲研究表明稀土元素可以有效提高氮碳共滲效率。添加稀土元素后,共滲層厚度提升了19.71~44.23%。La原子非常活潑,濺射沉積于試樣表面與乙醇及背底真空中的O在試樣表面反應(yīng)生成La Fe O3。La Fe O3具有非常高的催化氧化活性,生成的高氧化性物質(zhì)在氮碳共滲過程中促進(jìn)表面致密氮化物層的分解,為N原子的擴(kuò)散提供了通道。La原子可以滲入到試樣表層中5mm深度內(nèi)。這一厚度對(duì)應(yīng)于表面上g￠-(Fe,La)4N形成的位置。由于La原子較大,進(jìn)入到g￠-Fe4N晶格中造成晶格膨脹,提高了N的固溶度,從而抑制了致密陶瓷相e-Fe2-3N(C)的形成。因此,N的主要擴(kuò)散通道,如表面晶界、缺陷等未被阻塞,N的擴(kuò)散速度較快。從TEM結(jié)果可知,La可擴(kuò)散至距表面25mm的深度,并且稀土有細(xì)化組織的作用。通過對(duì)38Cr Mo Al及30Cr Mn Si兩種中碳低合金鋼離子滲氮或氮碳共滲與激光淬火復(fù)合處理的研究發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)復(fù)合工藝改性層的硬度及厚度相比于單一的PN/PNC處理或是激光淬火處理顯著提高。滲氮/氮碳共滲試樣表面相組成為g￠-Fe4N和e-Fe2-3N(C),經(jīng)激光淬火處理后表面相組成為淬火馬氏體(a￠-Fe),Fe的氧化物(Fe3O4,Fe2O3,Fe O)以及少量的g￠-Fe4N和e-Fe2-3N(C)和低氮化合物Fe N0.076(殘余奧氏體)。Fe3O4的潤滑作用有效降低了摩擦系數(shù)與磨損率,一定量的殘余奧氏體提高了試樣表面的沖擊韌性,從而使復(fù)合處理表面耐磨性顯著提高。滲氮/氮碳共滲與激光淬火復(fù)合改性層厚度倍增機(jī)制:滲層中的N元素沿滲氮方向呈現(xiàn)梯度分布,極少量的N元素即能導(dǎo)致Fe-C-N三元共析點(diǎn)從高于727°C降低至565°C。因此,在相同的溫度梯度下,表層中能夠發(fā)生馬氏體相變強(qiáng)化的區(qū)域增加。
【關(guān)鍵詞】：中碳低合金鋼 滲氮層 激光淬火 組織 性能
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG161
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-36
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義15-16
• 1.2 滲氮與氮碳共滲進(jìn)展16-31
• 1.2.1 低溫滲氮16-18
• 1.2.2 快速滲氮18-25
• 1.2.3 稀土滲氮與稀土氮碳共滲25-28
• 1.2.4 滲氮生成相性質(zhì)28-31
• 1.3 激光表面改性進(jìn)展31-35
• 1.3.1 激光淬火31-33
• 1.3.2 化學(xué)熱處理與激光淬火復(fù)合改性33-35
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容35-36
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法36-43
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備36-38
• 2.2 實(shí)驗(yàn)工藝方案38-40
• 2.2.1 離子滲氮38-39
• 2.2.2 低溫稀土氮碳共滲39-40
• 2.2.3 滲氮與激光淬火復(fù)合改性40
• 2.3 分析測(cè)試方法40-43
• 2.3.1 組織觀察40
• 2.3.2 相結(jié)構(gòu)與成分分析40
• 2.3.3 生成相鍵合與微結(jié)構(gòu)分析40-41
• 2.3.4 顯微硬度與耐磨性能測(cè)試41-42
• 2.3.5 改性層耐蝕性表征42-43
• 第3章 中碳低合金鋼硬化層組織與工藝設(shè)計(jì)43-56
• 3.1 影響齒輪力學(xué)性能的因素43-44
• 3.2 硬化層厚度和組織44-52
• 3.2.1 硬化層厚度計(jì)算44-46
• 3.2.2 硬化層組織設(shè)計(jì)46-52
• 3.3 中碳低合金鋼齒輪表層硬化工藝選擇52-54
• 3.3.1 表層硬化工藝方案設(shè)計(jì)52
• 3.3.2 等離子體滲氮/氮碳共滲52
• 3.3.3 等離子體稀土滲氮/氮碳共滲52-53
• 3.3.4 等離子體滲氮與激光淬火復(fù)合改性53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 第4章 等離子體滲氮與激光淬火復(fù)合改性層組織結(jié)構(gòu)56-95
• 4.1 溫度對(duì)滲氮層組織結(jié)構(gòu)影響56-58
• 4.2 不同氮?dú)浔葪l件下滲氮層的組織結(jié)構(gòu)58-61
• 4.2.1 氮?dú)浔葘?duì)滲層組織結(jié)構(gòu)影響58-59
• 4.2.2 低氮?dú)浔葪l件下滲層的組織結(jié)構(gòu)59-61
• 4.3 滲氮過程組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律61-67
• 4.3.1 較高氮?dú)浔葪l件下滲氮過程組織結(jié)構(gòu)61-65
• 4.3.2 低氮?dú)浔葪l件下滲氮過程組織結(jié)構(gòu)65-67
• 4.4 膨脹馬氏體表征與滲氮層組織超細(xì)化67-74
• 4.4.1 滲氮膨脹馬氏體表征68-70
• 4.4.2 滲氮層組織超細(xì)化70-74
• 4.5 稀土氮碳共滲過程組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律74-87
• 4.6 滲氮與激光淬火復(fù)合改性層組織結(jié)構(gòu)87-93
• 4.6.1 激光淬火工藝參數(shù)確定87-89
• 4.6.2 復(fù)合改性層組織結(jié)構(gòu)89-93
• 4.7 不同處理工藝心部組織及硬度93-94
• 4.8 本章小結(jié)94-95
• 第5章 等離子體滲氮與激光淬火復(fù)合改性層性能與深層硬化機(jī)制95-128
• 5.1 高溫低氮?dú)浔葷B氮層性能95-101
• 5.1.1 高溫低氮?dú)浔葷B氮層耐磨性能95-100
• 5.1.2 高溫低氮?dú)浔葷B氮層耐蝕性能100-101
• 5.2 低溫滲氮層性能與強(qiáng)韌化機(jī)制101-109
• 5.2.1 低溫滲氮層力學(xué)性能101-105
• 5.2.2 低溫滲氮層耐蝕性能105-107
• 5.2.3 低溫滲氮層強(qiáng)韌化機(jī)制107-109
• 5.3 Fe_4N相的擇優(yōu)取向?qū)B氮層力學(xué)性能影響109-117
• 5.4 滲氮與激光淬火復(fù)合改性層力學(xué)性能及深層硬化機(jī)制117-125
• 5.5 不同改性工藝下表層硬化效果與微觀機(jī)制比較125-127
• 5.6 本章小結(jié)127-128
• 結(jié)論128-130
• 參考文獻(xiàn)130-146
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果146-148
• 致謝148-149
• 個(gè)人簡歷149

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：320576