M50钢活性屏渗氮工艺研究
发布时间：2021-11-26 20:55
轴承是机械设备中的重要传动零件,因此,改善轴承性能以提高其使用寿命对研制高性能设备有重要意义。M50轴承钢材料综合性能好,在重要发动机的主轴轴承与中高温设备轴承被大量应用。为了进一步提高M50轴承钢的使用性能和疲劳寿命,可以使用渗氮的技术手段对其表面进行增强,以提高轴承表面的硬度,形成表面压应力层,通过合理设计渗氮工艺参数,可以提升轴承钢的耐磨性能和疲劳寿命。而活性屏等离子渗氮技术作为一种新兴的渗氮技术,具有渗氮均匀性好、可避免边缘效应和空心阴极效应的优点,适合用于轴承零件渗氮。本文首先对活性屏内的温度均匀性进行了测试,在保证温度均匀的前提下,对M50钢圆片、钢球、轴承套圈切块试样进行了不同工艺的活性屏渗氮试验,利用金相显微镜观察了渗氮样品的截面组织形貌,利用X射线衍射仪分析检测了样品渗氮前后的物相变化,利用维氏显微硬度计测试了样品渗氮层的硬度分布,并利用扫描电子显微镜的能谱测试检测了渗氮样品的渗氮层各元素分布。通过分析实验数据,本文对比了渗氮时处于悬浮电位和阳极电位的样品组织与性能,研究了钢球和轴承套圈的渗氮均匀性,研究了气氛、温度、时间这三个渗氮工艺参数变化对样品渗氮层的影响。研究...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
直流辉光放电示意图[11]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-氮效果。图1-1是直流辉光放电示意图，二次电子在辉区内激发中性分子，产生发光现象，负辉区是整个辉光放电腔室中发光最强的区域，有大量气体分子在这部分区域被激发放电。正柱区通常也被称为等离子体区，这个区域满足准电中性条件，处于悬浮电位的活性屏渗氮工件通常就处于正柱区内。图1-1直流辉光放电示意图[11]等离子体渗氮即是利用辉光放电等离子体中的活性氮原子进行渗氮，渗氮过程可分为三个阶段，第一阶段是高能电子与氮分子及氮原子碰撞产生活性氮原子，第二阶段是活性氮原子由介质中转移到工件表面，第三阶段则是活性氮原子向工件心部扩散。目前，对等离子渗氮的第二阶段氮源转移机理仍存在争议，有多种解释和模型。(1)阴极溅射模型这一模型由JKlbel提出[12]，他通过设计实验将不锈钢板作为阳极，纯铁圆管作为阴极，并在圆管内置玻璃管，玻璃管中通冷却水以冷却收集溅射产物。实验测得溅射产物的含氮量大于19.7%，因此提出离子渗氮主要机制为：从阴极溅射的Fe原子与等离子体中的N原子结合成的FeN沉积到阴极完成渗氮，如图1-2所示。图1-2离子渗氮的“溅射—凝附—扩散”模型[13]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-厚度75-100μm的渗氮层，且表面硬度提升至1064kg/mm2，残余应力测试结果表明，样品获得了最高达918MPa的约100μm厚的压应力层。Kazuhiro等[17]对M50钢进行了30h的480℃下离子渗氮处理，并研究了在渗氮过程产生的晶间析出物，由图1-4a)可见，M50样品的渗氮层深度大约为100μm，但渗氮层中有大量的晶间析出物，文中指出这种晶间析出物可能是ε-Fe3N，但一般认为这种脉状组织是复杂的C、N、Cr的化合物，虽然对这种组织的成分结构尚不明确，但这种晶间组织会严重降低M50钢的耐磨性。图1-4等离子体渗氮M50钢试样的渗氮层组织[17]a)仅渗氮；b)渗氮后保温扩散为此，该研究在对样品渗氮后进行了保温，使M50钢中的N可以继续向心部扩散，在减少脉状组织的同时，使样品可以达到足够的渗氮层深度，由图1-4b)可见，经保温扩散的试样渗氮层中基本没有脉状组织，且渗层深度达到了150μm。由图1-5可见，经过扩散后，试样的氮浓度梯度和硬度梯度变缓，这有利于防止表面层剥落，并且有利于提高M50钢的疲劳性能。图1-5等离子体渗氮试样的碳、氮含量和硬度的深度分布[17]a)仅渗氮；b)渗氮后保温扩散单嗣宏[19]研究了M50钢离子源辅助渗氮层的组织与性能，发现在渗氮4h后，样品硬度和耐磨性均显著提高，而且样品的表面粗糙度变化不大。其中，a）b）a）b）
【参考文献】：
期刊论文
[1]活性屏等离子体源渗氮工艺特性及传质机制[J]. 李广宇,雷明凯. 中国表面工程. 2018(05)
[2]42CrMo钢离子渗氮过程氮浓度分布的数值模拟[J]. 丁一,杨兴宽,彭明霞,申灏,石伟. 材料热处理学报. 2017(12)
[3]表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理[J]. 罗庆洪,赵振业,贺自强,李志明. 航空材料学报. 2017(06)
[4]不同处理工艺轴承套圈的近表层硬度及残余应力[J]. 罗燕,刘义翔,班君,刘秀莲. 理化检验(物理分册). 2017(07)
[5]2Cr13马氏体不锈钢活性屏离子渗氮技术[J]. 李杨,何永勇,朱宜杰,邱剑勋,修俊杰. 金属热处理. 2017(05)
[6]国内外高氮马氏体不锈轴承钢研究现状与发展[J]. 徐海峰,曹文全,俞峰,许达,李箭. 钢铁. 2017(01)
[7]Experimental and numerical study on plasma nitriding of AISI P20 mold steel[J]. N.Nayebpashaee,H.Vafaeenezhad,Sh.Kheirandish,M.Soltanieh. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2016(09)
[8]国内外轴承钢的现状与发展趋势[J]. 李昭昆,雷建中,徐海峰,俞峰,董瀚,曹文全. 钢铁研究学报. 2016(03)
[9]活性屏与工件的距离对40Cr钢活性屏离子渗氮行为的影响[J]. 郭俊文,田林海,林乃明,唐宾. 中国表面工程. 2014(03)
[10]AISI 316L奥氏体不锈钢空心阴极放电离子源渗氮技术[J]. 李杨,徐惠忠,邱剑勋,徐久军,王亮. 中国表面工程. 2014(03)
硕士论文
[1]M50钢离子源辅助渗氮层的组织与性能[D]. 单嗣宏.哈尔滨工业大学 2018
[2]30CrMnSi钢渗氮与激光淬火复合改性过程数值模拟[D]. 卢竞.哈尔滨工业大学 2015
[3]活性屏渗氮工艺中的溅射沉积机制研究[D]. 王知源.大连理工大学 2012
[4]奥氏体不锈钢活性屏离子渗氮的研究[D]. 王礼银.青岛科技大学 2007
[5]活性屏离子渗氮的机理及应用基础研究[D]. 赵慧丽.青岛科技大学 2005
本文编号：3520910
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
直流辉光放电示意图[11]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-氮效果。图1-1是直流辉光放电示意图，二次电子在辉区内激发中性分子，产生发光现象，负辉区是整个辉光放电腔室中发光最强的区域，有大量气体分子在这部分区域被激发放电。正柱区通常也被称为等离子体区，这个区域满足准电中性条件，处于悬浮电位的活性屏渗氮工件通常就处于正柱区内。图1-1直流辉光放电示意图[11]等离子体渗氮即是利用辉光放电等离子体中的活性氮原子进行渗氮，渗氮过程可分为三个阶段，第一阶段是高能电子与氮分子及氮原子碰撞产生活性氮原子，第二阶段是活性氮原子由介质中转移到工件表面，第三阶段则是活性氮原子向工件心部扩散。目前，对等离子渗氮的第二阶段氮源转移机理仍存在争议，有多种解释和模型。(1)阴极溅射模型这一模型由JKlbel提出[12]，他通过设计实验将不锈钢板作为阳极，纯铁圆管作为阴极，并在圆管内置玻璃管，玻璃管中通冷却水以冷却收集溅射产物。实验测得溅射产物的含氮量大于19.7%，因此提出离子渗氮主要机制为：从阴极溅射的Fe原子与等离子体中的N原子结合成的FeN沉积到阴极完成渗氮，如图1-2所示。图1-2离子渗氮的“溅射—凝附—扩散”模型[13]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-厚度75-100μm的渗氮层，且表面硬度提升至1064kg/mm2，残余应力测试结果表明，样品获得了最高达918MPa的约100μm厚的压应力层。Kazuhiro等[17]对M50钢进行了30h的480℃下离子渗氮处理，并研究了在渗氮过程产生的晶间析出物，由图1-4a)可见，M50样品的渗氮层深度大约为100μm，但渗氮层中有大量的晶间析出物，文中指出这种晶间析出物可能是ε-Fe3N，但一般认为这种脉状组织是复杂的C、N、Cr的化合物，虽然对这种组织的成分结构尚不明确，但这种晶间组织会严重降低M50钢的耐磨性。图1-4等离子体渗氮M50钢试样的渗氮层组织[17]a)仅渗氮；b)渗氮后保温扩散为此，该研究在对样品渗氮后进行了保温，使M50钢中的N可以继续向心部扩散，在减少脉状组织的同时，使样品可以达到足够的渗氮层深度，由图1-4b)可见，经保温扩散的试样渗氮层中基本没有脉状组织，且渗层深度达到了150μm。由图1-5可见，经过扩散后，试样的氮浓度梯度和硬度梯度变缓，这有利于防止表面层剥落，并且有利于提高M50钢的疲劳性能。图1-5等离子体渗氮试样的碳、氮含量和硬度的深度分布[17]a)仅渗氮；b)渗氮后保温扩散单嗣宏[19]研究了M50钢离子源辅助渗氮层的组织与性能，发现在渗氮4h后，样品硬度和耐磨性均显著提高，而且样品的表面粗糙度变化不大。其中，a）b）a）b）
【参考文献】：
期刊论文
[1]活性屏等离子体源渗氮工艺特性及传质机制[J]. 李广宇,雷明凯. 中国表面工程. 2018(05)
[2]42CrMo钢离子渗氮过程氮浓度分布的数值模拟[J]. 丁一,杨兴宽,彭明霞,申灏,石伟. 材料热处理学报. 2017(12)
[3]表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理[J]. 罗庆洪,赵振业,贺自强,李志明. 航空材料学报. 2017(06)
[4]不同处理工艺轴承套圈的近表层硬度及残余应力[J]. 罗燕,刘义翔,班君,刘秀莲. 理化检验(物理分册). 2017(07)
[5]2Cr13马氏体不锈钢活性屏离子渗氮技术[J]. 李杨,何永勇,朱宜杰,邱剑勋,修俊杰. 金属热处理. 2017(05)
[6]国内外高氮马氏体不锈轴承钢研究现状与发展[J]. 徐海峰,曹文全,俞峰,许达,李箭. 钢铁. 2017(01)
[7]Experimental and numerical study on plasma nitriding of AISI P20 mold steel[J]. N.Nayebpashaee,H.Vafaeenezhad,Sh.Kheirandish,M.Soltanieh. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2016(09)
[8]国内外轴承钢的现状与发展趋势[J]. 李昭昆,雷建中,徐海峰,俞峰,董瀚,曹文全. 钢铁研究学报. 2016(03)
[9]活性屏与工件的距离对40Cr钢活性屏离子渗氮行为的影响[J]. 郭俊文,田林海,林乃明,唐宾. 中国表面工程. 2014(03)
[10]AISI 316L奥氏体不锈钢空心阴极放电离子源渗氮技术[J]. 李杨,徐惠忠,邱剑勋,徐久军,王亮. 中国表面工程. 2014(03)
硕士论文
[1]M50钢离子源辅助渗氮层的组织与性能[D]. 单嗣宏.哈尔滨工业大学 2018
[2]30CrMnSi钢渗氮与激光淬火复合改性过程数值模拟[D]. 卢竞.哈尔滨工业大学 2015
[3]活性屏渗氮工艺中的溅射沉积机制研究[D]. 王知源.大连理工大学 2012
[4]奥氏体不锈钢活性屏离子渗氮的研究[D]. 王礼银.青岛科技大学 2007
[5]活性屏离子渗氮的机理及应用基础研究[D]. 赵慧丽.青岛科技大学 2005
本文编号：3520910
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