碳钢表面预处理对硼铬稀土低温共渗的影响及其作用机理研究

发布时间：2019-01-12 07:41

【摘要】：渗硼技术尤其是固体渗硼技术,因其硼化物层具有优越的性能,而被广泛应用于工业生产中,成为工件表面强化最常用的方法之一。高温渗硼后工件表面变形较大,渗硼层脆性较高,易剥落等问题大大限制了该技术的工业化应用。固体低温多元渗硼在解决上述问题的同时,提供了渗硼技术新的研究方向,但存在低温共渗层较浅的难题。实验表明,在工件表面进行预处理可以提高低温共渗层深度,研究表面预处理对低温共渗层生长的影响,对固体低温多元渗硼的工业化应用具有重要的现实意义。本文以低中碳钢为实验材料,采用快速多重旋转碾压技术和高频感应加热表面淬火工艺在其表面进行预处理,采用硼铁型共渗剂进行表面预处理后硼-铬-稀土低温共渗实验,研究表面预处理作用的机理,共渗工艺为600℃×6h和650＞x6h。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、热场发射扫描电子显微镜(TFESEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子显微硬度计(EMHT)、声发射仪(AE)等测试仪器对表面预处理试样表层微观结构、低温共渗层组织结构和性能进行表征。以45钢为基体,在渗硼温度为650℃、时间为6h工艺下,利用均匀设计法优化的最佳低温共渗剂主要组分为氯化镧为4%、氟硼酸钾为5%和高碳铬铁为5%,其它组分按照原比例进行缩放；并以此低温共渗剂进行共渗实验表明,可以得到连续、均匀、致密、较深的低温共渗层组织。以晶粒尺寸变小为主线,以位错运动和裂纹扩展所需应力为辅线建立理论模型,表征表面预处理试样表层微观结构的形成；通过表征,发现表面纳米化处理试样表层存在约为60μm的塑性变形层,存在大量的位错、少量的孪晶以及非晶区；晶粒细化到纳米量级,对20钢来说,不同时间表面纳米化处理试样表层晶粒尺寸约为90nm-100nm、72nm-80nm和24nm-30nm;对45钢来说,分别为113nm-120nm、94nm-100nm和31nm-40nm。表面纳米化处理后低温共渗实验表明,表面纳米化处理明显改善了低温共渗效果,低温共渗层呈柱状生长,方向与试样表面垂直,硼齿致密、直长、连续、均匀,存在较少的封闭孔洞,与基体的结合牢固；与未表面纳米化处理相比,低温共渗层深度明显增加,对20钢来说,600℃共渗时,不同时间表面纳米化处理试样低温共渗层平均深度分别提高到1.9倍、3.3倍和4.9倍；650℃共渗时,分别提高到1.4倍、1.8倍和2.8倍；对45钢来说,600℃共渗时,分别提高到1.4倍、1.7倍和2.5倍；650℃共渗时,分别提高到1.4倍、1.6倍和2.6倍。表面淬火处理后低温共渗实验表明,表面淬火处理能够改善低温共渗效果,但逊色于表面纳米化处理；实验结果表明,低温共渗层无明显的柱状晶特征,与基体之间存在缝隙,表层存在少量孔洞；但连续性、均匀性和致密性较好,未出现脱落现象；低温共渗层深度也得到增加,对20钢来说,600℃共渗时,不同时间表面淬火处理后试样共渗层平均深度分别提高到1.4倍、1.6倍和2.9倍；650℃共渗时,分别提高到1.3倍、1.6倍和1.9倍；对45钢来说,600℃共渗时,分别提高到1.3倍、1.7倍和2.0倍：650℃共渗时,分别提高到1.2倍、1.3倍和1.5倍。稀土元素参与整个低温共渗过程,起到了催渗作用,铬元素改善低温共渗层结构的空间键络,降低其脆性；TFESEM及能谱分析表明,表面纳米化处理试样表层中存在的纳米晶粒,参与了低温共渗过程；Cr元素主要分布在低温共渗层中,分布不均匀；La元素主要分布在柱状晶顶端、晶界处以及孔洞处(表面淬火处理时,分布在低温共渗层和孔洞处),在孔洞处富集的较多；利用XRD分析表明,60min表面纳米化处理(14s表面淬火处理)后45钢650℃低温共渗层的相组成主要为Fe2B相；采用两种办法测试的低温共渗层脆性实验表明,表面预处理后低温共渗层的脆性降低,声发射信号峰值几乎不存在,En与P基本呈线性关系,经计算K值,低温共渗层脆性较单元渗硼层分别降低了40%和37%；利用显微硬度计测量发现,共渗后试样显微硬度沿着垂直于表面方向由表及里先提高后降低,最外层较高,次外层最高,且硬度梯度较小。表面预处理作用机理主要表现在对活性原子的吸附和扩散过程中；快速多重旋转碾压技术进行表面预处理后,因表面剧烈塑性变形导致变形层的晶粒拉长、严重变形、明显细化,存在大量晶界(细晶的结果)、位错和高应力区,为后续硼-铬-稀土低温共渗过程中硼原子扩散提供了更多的扩散通道和辅助能量,起到了辅助催渗的明显效果；高频感应加热表面淬火工艺表面预处理后,表面淬硬层组织较基体(珠光体+铁素体)组织明显细化,硬度大幅度提高,而且淬硬层的内应力明显升高,这些也为后续硼-铬-稀土低温共渗过程中硼原子扩散提供了更多的扩散通道和辅助能量,起到了较明显的辅助催渗效果。对表面预处理前后硼原子扩散系数和扩散激活能进行计算表明,表面预处理后低温共渗时硼原子扩散系数常数明显提高,600℃共渗时,分别为3.9×10-13m2/s、11.5×10-13m2/s、27.9×10-13m2/s; 650℃共渗时,分别为7.3×10-13m2/s、12.9×10-13m2/s、33.1×10-13m2/s;表面预处理后低温共渗时硼原子的平均扩散激活能明显降低,600℃共渗时,分别降低了8986.12Jmol-1、17268.29Jmol-1、 22942.20Jmol-1;650℃共渗时,分别降低了4994.47Jmol-1、8756.52Jmol-1、 15632.64Jmol-1;假定浓度分布共渗层生长模型分析可知,可以用模型解释Fe2B相和α-Fe相界面处硼原子的吸附浓度变化,探讨表面预处理对低温共渗的作用机理。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG156.8
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本文编号：2407517