低碳钢表面液相等离子体电解碳氮共渗的研究
发布时间：2021-08-29 10:45
船用活塞销用于连接活塞和连杆,长期暴露于高温环境,在承受较大周期性冲击载荷的同时,又因难以形成润滑油膜,润滑条件差,承受往复的摩擦磨损,这些复杂且恶劣的工作环境要求活塞销必须具有足够的刚度、强度和耐磨性能,因此,本文选择活塞销的常用材料低碳钢为对象,采用液相等离子体电解技术在其表面制备碳氮共渗层,进一步提高其摩擦学性能。本文首先采用不同体系、不同配方的电解液进行了电解液体系的探索实验,分析了低碳钢在各种电解液体系下实验的共渗效果;然后制定实验方案,创新采用阶段式电压对低碳钢进行液相等离子体电解碳氮共渗处理,并通过SEM/BSE、XRD、EDS、显微硬度仪、摩擦磨损实验机等,对共渗层的微观结构、组成及摩擦学性能进行测试;探索对比了不同模式下的能耗情况。研究结果表明:低碳钢在尿素+甘油体系电解液中进行碳氮共渗处理,反应过程连续、稳定,制备的渗层厚度均匀,且实验成本可控,适合作为实验用电解液;实验条件下获得了均匀致密的碳氮共渗层,阶段式电压能明显提升共渗效果,渗层厚度高达161.34μm,与现有文献相比约提升了 13.0%,渗层硬度高达800HV以上,为基体硬度的3倍左右;渗层表面存在球凸起...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１铁氮相图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｉｒｏｎ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ??（１）处理温度不同??
?大连海事大学硕士学位论文???（２）等离子体喷涂??等离子喷涂的原理是利用等离子弧流的能量，将金属或非金属粉末加热至半熔融或??熔融状态，然后在等离子火焰流的作用下将其高速喷涂并沉积在工件表面形成涂层，进??行该工艺之前工件表面需要预处理。一般的等离子喷涂设备如图１．２［２５］所示。??冷却水－??正十１?Ａ??（钢）?待加工材料一＂??负一１?ｉｒｎ??（钨）?ｉ?热喷涂覆盖膜—??隔热体￣｜?Ｉ??．Ｔ．作气体＿１?Ｔ??（Ａｒ．?ＮＪ?匕粉未材料?Ｕ??图１．２等离子喷涂设备原理图［２５］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｌａｓｍａ?ｓｐｒａｙ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２５］??等离子体喷涂工艺制备的涂层优点是耐磨性强、硬度高，缺点为孔隙率高，结合强??度低。反应过程受诸多因素影响，．电参数、气流量、工作距离、工作对象表面温度等因??素都会对喷涂过程产生影响，而且存在能耗高，噪音大等问题。??（３）等离子体化学气相沉积??等离子体化学气相沉积技术是利用等离子体能量使含有原子的气态物质发生常规??条件下不能发生的化学反应，反应进行过程中气体放电并在工件表面上沉积一层薄膜的??工艺，属于低温等离子体沉积技术范畴［２６］。??等离子体化学气相沉积制备的涂层虽然厚度很薄，但均匀致密，结合力强，该工艺??在实际应用中的阻碍为创造所需要的真空环境比较困难。??（４）低温等离子体表面处理??低温等离子体表面处理技术被广泛的应用于金属材料的表面强化处理中，常用的有??双辉光离子渗金属、离子渗碳、离子渗氮及离子碳氮共渗、等离子体微弧氧化技术等。??所提到的双辉光离子渗金属
?大连海事大学硕士学位论文???而采用双辉光离子渗金属技术可以克服这些困难，向金属材料表面渗入金属元素或者组??合元素皆可实现，而且制备的合金深层具有多样化的物理化学性能，其工作原理如图１．３??所示［２７］。??拧制板＿??源极??高温计?＿＼４／，／／??工件??阴极??＇ｈｌｉ?：：?Ｔｎ??惰性气体Ｕ冷却水?Ｑａ－＾ｅ??图１．３双辉光离子渗设备原理图ｉ２ｆｌ??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ?ｇｌｏｗ?Ｐｌａｓｍａ?ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２７】??随着社会进步，另一种离子体放电一液相等离子体放电发展了起来，该技术的出现??也弥补了传统等离子体方法的一些缺陷。??液相等离子体放电的研究始于水溶液中的瞬间放电现象［２８］。人们意外的观察到等离??子体通道也可以在液体中形成，而且其中的离子体同样具备高能量，可提供高温条件、??冲击波和紫外光辐射等能量环境０］。??液相等离子体电解就是在液相等离子体放电的基础上发展起来的一种技术是将??工件置于液体中利用等离子体的形成对材料进行表面强化处理，不同的等离子体电解技??术在工作对象、处理方法和处理功能上存在不同，但同样都是在液体中进行，并在工作??对象与辅助电极之间施加一定的电压，而且工作对象表面附近会观察到放电现象，放电??现象的发生是等离子体形成的前提条件。??－７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]耐火材料成型模具的气体碳氮共渗[J]. 玄伟建. 智能城市. 2020(03)
[2]等离子体技术在冶炼和铸造生产中的应用[J]. В.А.ШАПОВАЛОВ,许小海,汪源,孙足来,宋青竹,李建军. 真空. 2019(05)
[3]金属表面液相等离子体电解渗硼技术[J]. 王彬,薛文斌,金小越,杜建成. 表面技术. 2019(07)
[4]钢中的精灵——非金属夹杂物精美形貌[J]. 杨文,张莹,张学伟,罗艳,刘洋,张立峰. 金属世界. 2016(06)
[5]碳氮共渗热处理工艺对42CrMo钢组织性能的影响[J]. 徐昊,王晓溪,陈方旭,王乐,刘壮. 热加工工艺. 2016(04)
[6]双辉等离子表面合金化改善钢铁耐蚀和耐磨性的研究现状[J]. 谢瑞珍,周宏伟,邹娇娟,林乃明. 腐蚀与防护. 2015(12)
[7]42CrMo钢在乙醇胺体系下液相等离子电解渗层性能研究[J]. 贺绍杰,赵文广. 热加工工艺. 2015(02)
[8]40Cr钢液相等离子体电解氮碳共渗层的组织与性能[J]. 杨群,樊新民,黄洁雯. 金属热处理. 2012(06)
[9]20#低碳钢腐蚀因素分析[J]. 田先勇. 科学技术与工程. 2012(16)
[10]金属材料先进化学热处理技术及应用[J]. 黄周锋. 科技视界. 2012(13)
博士论文
[1]金属表面等离子电解沉积强化层制备及特性研究[D]. 沈德久.燕山大学 2010
硕士论文
[1]低、中碳合金钢液相感应渗氮、碳及共渗研究[D]. 康承飞.南京理工大学 2015
[2]42CrMo钢液相等离子电解碳氮共渗耐磨性研究[D]. 贺绍杰.内蒙古科技大学 2014
[3]中碳钢液相感应碳氮共渗研究[D]. 周凌云.南京理工大学 2012
[4]表面工程技术在脱硫装置浆液循环泵叶轮中的应用研究[D]. 曾昊朗.武汉理工大学 2011
[5]钢铁表面复合化学镀制备高耐磨功能层及其机理研究[D]. 范红.东北大学 2010
[6]ECR等离子体辅助原子层沉积Al2O3薄膜的研究及其参数诊断[D]. 桑利军.北京印刷学院 2009
[7]液相等离子体电解碳氮共渗技术研究[D]. 李杰.燕山大学 2006
本文编号：3370506
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１铁氮相图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｉｒｏｎ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ??（１）处理温度不同??
?大连海事大学硕士学位论文???（２）等离子体喷涂??等离子喷涂的原理是利用等离子弧流的能量，将金属或非金属粉末加热至半熔融或??熔融状态，然后在等离子火焰流的作用下将其高速喷涂并沉积在工件表面形成涂层，进??行该工艺之前工件表面需要预处理。一般的等离子喷涂设备如图１．２［２５］所示。??冷却水－??正十１?Ａ??（钢）?待加工材料一＂??负一１?ｉｒｎ??（钨）?ｉ?热喷涂覆盖膜—??隔热体￣｜?Ｉ??．Ｔ．作气体＿１?Ｔ??（Ａｒ．?ＮＪ?匕粉未材料?Ｕ??图１．２等离子喷涂设备原理图［２５］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｌａｓｍａ?ｓｐｒａｙ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２５］??等离子体喷涂工艺制备的涂层优点是耐磨性强、硬度高，缺点为孔隙率高，结合强??度低。反应过程受诸多因素影响，．电参数、气流量、工作距离、工作对象表面温度等因??素都会对喷涂过程产生影响，而且存在能耗高，噪音大等问题。??（３）等离子体化学气相沉积??等离子体化学气相沉积技术是利用等离子体能量使含有原子的气态物质发生常规??条件下不能发生的化学反应，反应进行过程中气体放电并在工件表面上沉积一层薄膜的??工艺，属于低温等离子体沉积技术范畴［２６］。??等离子体化学气相沉积制备的涂层虽然厚度很薄，但均匀致密，结合力强，该工艺??在实际应用中的阻碍为创造所需要的真空环境比较困难。??（４）低温等离子体表面处理??低温等离子体表面处理技术被广泛的应用于金属材料的表面强化处理中，常用的有??双辉光离子渗金属、离子渗碳、离子渗氮及离子碳氮共渗、等离子体微弧氧化技术等。??所提到的双辉光离子渗金属
?大连海事大学硕士学位论文???而采用双辉光离子渗金属技术可以克服这些困难，向金属材料表面渗入金属元素或者组??合元素皆可实现，而且制备的合金深层具有多样化的物理化学性能，其工作原理如图１．３??所示［２７］。??拧制板＿??源极??高温计?＿＼４／，／／??工件??阴极??＇ｈｌｉ?：：?Ｔｎ??惰性气体Ｕ冷却水?Ｑａ－＾ｅ??图１．３双辉光离子渗设备原理图ｉ２ｆｌ??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ?ｇｌｏｗ?Ｐｌａｓｍａ?ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２７】??随着社会进步，另一种离子体放电一液相等离子体放电发展了起来，该技术的出现??也弥补了传统等离子体方法的一些缺陷。??液相等离子体放电的研究始于水溶液中的瞬间放电现象［２８］。人们意外的观察到等离??子体通道也可以在液体中形成，而且其中的离子体同样具备高能量，可提供高温条件、??冲击波和紫外光辐射等能量环境０］。??液相等离子体电解就是在液相等离子体放电的基础上发展起来的一种技术是将??工件置于液体中利用等离子体的形成对材料进行表面强化处理，不同的等离子体电解技??术在工作对象、处理方法和处理功能上存在不同，但同样都是在液体中进行，并在工作??对象与辅助电极之间施加一定的电压，而且工作对象表面附近会观察到放电现象，放电??现象的发生是等离子体形成的前提条件。??－７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]耐火材料成型模具的气体碳氮共渗[J]. 玄伟建. 智能城市. 2020(03)
[2]等离子体技术在冶炼和铸造生产中的应用[J]. В.А.ШАПОВАЛОВ,许小海,汪源,孙足来,宋青竹,李建军. 真空. 2019(05)
[3]金属表面液相等离子体电解渗硼技术[J]. 王彬,薛文斌,金小越,杜建成. 表面技术. 2019(07)
[4]钢中的精灵——非金属夹杂物精美形貌[J]. 杨文,张莹,张学伟,罗艳,刘洋,张立峰. 金属世界. 2016(06)
[5]碳氮共渗热处理工艺对42CrMo钢组织性能的影响[J]. 徐昊,王晓溪,陈方旭,王乐,刘壮. 热加工工艺. 2016(04)
[6]双辉等离子表面合金化改善钢铁耐蚀和耐磨性的研究现状[J]. 谢瑞珍,周宏伟,邹娇娟,林乃明. 腐蚀与防护. 2015(12)
[7]42CrMo钢在乙醇胺体系下液相等离子电解渗层性能研究[J]. 贺绍杰,赵文广. 热加工工艺. 2015(02)
[8]40Cr钢液相等离子体电解氮碳共渗层的组织与性能[J]. 杨群,樊新民,黄洁雯. 金属热处理. 2012(06)
[9]20#低碳钢腐蚀因素分析[J]. 田先勇. 科学技术与工程. 2012(16)
[10]金属材料先进化学热处理技术及应用[J]. 黄周锋. 科技视界. 2012(13)
博士论文
[1]金属表面等离子电解沉积强化层制备及特性研究[D]. 沈德久.燕山大学 2010
硕士论文
[1]低、中碳合金钢液相感应渗氮、碳及共渗研究[D]. 康承飞.南京理工大学 2015
[2]42CrMo钢液相等离子电解碳氮共渗耐磨性研究[D]. 贺绍杰.内蒙古科技大学 2014
[3]中碳钢液相感应碳氮共渗研究[D]. 周凌云.南京理工大学 2012
[4]表面工程技术在脱硫装置浆液循环泵叶轮中的应用研究[D]. 曾昊朗.武汉理工大学 2011
[5]钢铁表面复合化学镀制备高耐磨功能层及其机理研究[D]. 范红.东北大学 2010
[6]ECR等离子体辅助原子层沉积Al2O3薄膜的研究及其参数诊断[D]. 桑利军.北京印刷学院 2009
[7]液相等离子体电解碳氮共渗技术研究[D]. 李杰.燕山大学 2006
本文编号：3370506
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