合金结构钢稀土渗氮及渗层硬度增强机理研究

发布时间：2017-10-31 11:03

  本文关键词：合金结构钢稀土渗氮及渗层硬度增强机理研究

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【摘要】：渗氮是常见的合金钢表面硬度强化热处理工艺。但是渗氮热处理时间长、能耗高,已经越来越难以满足节能减排形势的需要。近年来,通过在渗氮工艺中添加稀土元素,采用稀土渗氮来提高渗氮速度、减少渗氮时间的热处理工艺已引起学术界和工程界的重视。渗氮实践表明,采用稀土渗氮不仅能够加快渗速、降低能耗,而且能够改善渗层的组织结构和性能,强化渗层表面的硬度和耐磨性。但目前对稀土在渗氮中的催渗和硬度增强机理的研究却明显滞后,难以满足稀土渗氮工艺的实践需要。本文针对三种常见的合金结构钢进行稀土渗氮和常规渗氮对比试验,从宏观和微观两方面研究探讨稀土在渗氮工艺中的催渗和硬度增强机理。采用井式渗氮炉和研制的稀土催渗剂对40CrNiMo、42CrMo和38CrMoAl钢分别进行常规渗氮和稀土渗氮试验。运用金相显微镜对试样渗层显微组织进行观察,发现在放大500倍时,渗层组织并无明显差异；运用扫描电镜进行点成分和线扫描浓度分析,检测稀土元素渗入的位置及其分布,发现稀土可渗入到钢表层,且渗入量晶界处大于晶内。运用显微硬度计对试样进行检测,同一钢种的稀土渗氮表面硬度高于常规渗氮50-150HV,且脆性不增加。通过渗层增厚动力学分析,得出相同温度和时间条件下,稀土渗氮可使渗层明显增厚,渗速提高30～40%。运用透射电镜观察发现,稀土渗入后试样微观结构变复杂,亚结构晶粒变小。基于稀固溶体和柯氏气团等理论,稀土在渗氮过程中的催渗作用主要体现在两个方面,首先稀土盐催渗剂在炉气中发生化学反应,生成稀土氢化物(ReH2或ReH3),然后稀土氢化物后被钢表面吸附发生界面反应,生成稀土氮化物(Re[N])。具有活性的Re[N]在极化作用下以稀土氮化物形态,按空位和短路机制等缺陷渗入钢的表层。渗入的稀土原子与铁互溶生成稀固溶体,使得Fe点阵产生弹性膨胀畸变,引发刃性位错和缺陷密度增殖。氮原子在刃状位错处聚集,导致生成柯氏气团。这一系列作用导致氮原子的扩散系数D增大、传递系数β增大、表层与晶内浓度差增大,使得渗速增加。另外,稀土大原子向工件表面冲击产生的较大动能,加快了炉气交换,从而进一步加快了渗氮速率。稀土原子的渗入改变了钢表层晶粒和晶界结构。对晶粒组织的影响在于引发的位错类似于对钢晶体组织亚结构的切割,使晶粒细化,晶粒亚结构改变,利用霍尔佩奇公式分析强度得出一系列强度叠加效应,使硬度增强。对晶界结构的影响在于稀土原子沿晶界渗入和扩散,会诱导晶界迁移,使晶界表面突壁和扭折密度发生变化,使晶界压缩,限制晶粒的移动,宏观表现为硬度增加；生成的气团,使氮原子偏聚区增多、产生钉扎效应,减少不良氮化物的生成,同时气团最终形成氮化物Fe4N为准球状,细小弥散,不会引起应力集中,而会对晶界产生钉扎作用,产生晶界强化作用,导致硬度增强,脆性不变。
【关键词】：合金结构钢 稀土渗氮 渗层硬度 催渗与增强机理
【学位授予单位】：哈尔滨商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG156.82
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 课题的来源12
• 1.2 课题研究的目的及意义12-13
• 1.3 渗氮概述13-16
• 1.3.1 渗氮基本原理13-14
• 1.3.2 渗氮层组织及性能14-15
• 1.3.3 氮化种类及特点15-16
• 1.4 稀土化学热处理16-18
• 1.4.1 稀土元素及其结构与性能特点16-17
• 1.4.2 稀土催渗和催渗剂的类型及应用17-18
• 1.5 稀土催渗技术的发展现状及趋势18-23
• 1.5.1 国内外研究现状18-22
• 1.5.2 发展趋势22-23
• 1.6 研究内容及主要工作23-24
• 2 渗氮工艺及试验方案24-33
• 2.1 试验材料24-27
• 2.1.1 材料选择背景24-25
• 2.1.2 材料成分及处理状态25
• 2.1.3 试样加工前处理25-26
• 2.1.4 稀土催渗剂26-27
• 2.2 试验工艺方案及装置27-30
• 2.2.1 氮化工艺方案27-28
• 2.2.2 渗氮装置28-30
• 2.3 分析测试方法30-32
• 2.3.1 显微硬度测试31
• 2.3.2 金相组织观察31
• 2.3.3 能谱观测31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 渗氮试验结果及分析33-43
• 3.1 渗层组织结构分析33-38
• 3.1.1 金相组织观察结果33-34
• 3.1.2 扫描电镜观察结果34-38
• 3.2 渗层显微硬度分布与渗层增厚动力学38-42
• 3.2.1 渗层显微硬度分布38-40
• 3.2.2 渗层增厚动力学40-42
• 3.3 本章小结42-43
• 4 稀土氮化催渗机理分析43-55
• 4.1 稀土元素在炉气中的反应43-44
• 4.2 稀土元素的表面吸附和界面反应44-45
• 4.3 反应可行性验证45-47
• 4.4 稀土元素的扩散机理47
• 4.5 稀土原子对渗氮速度的影响47-54
• 4.5.1 弹性应力场与位错线的生成与作用49-52
• 4.5.2 柯氏气团的生成与作用52-53
• 4.5.3 稀土原子的动量碰撞及炉气界面交换53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 5 稀土氮化渗层硬度增强机理分析55-62
• 5.1 稀土元素对晶粒结构的影响56-58
• 5.2 稀土元素对晶界结构的影响58-61
• 5.2.1 大原子挤压作用59
• 5.2.2 气团的作用59-61
• 5.3 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-66
• 攻读学位期间发表的学术论文66-67
• 致谢67

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本文编号：1122048