40Cr表面双层辉光等离子表面合金化制备梯度涂层工艺及组织性能研究
发布时间：2021-12-23 14:57
齿轮材料在多种应力载荷下工作,受力情况比较复杂,要求具有比较全面的性能。齿面疲劳失效是齿轮的主要失效形式,为了解决齿面的疲劳失效,需要齿轮表面具有高硬度。在航空航天、航海和石油化工等复杂环境中,除需要高硬度外,还需要具有良好的耐腐蚀性能。众所周知,Cr和Mo等具有高硬度和优异的耐腐蚀性能,在齿轮表面制备这两种元素的合金涂层可以有效地提高齿轮表面硬度和耐腐蚀性能。双层辉光等离子表面合金化（DGPSA）技术是一门新颖的表面强化技术,不仅可以制备非金属涂层,而且还可以制备各种合金层,从而扩宽了表面强化技术的应用领域。相对于其他表面强化技术,如热喷涂、激光熔覆、化学气相沉积和磁控溅射等,DGPSA可以制备渗层成分分布合理、界面组织稳定、高硬度和耐腐蚀性能良好的梯度渗层。本文以40Cr齿轮钢作为初始材料,采用DGPSA分别在40Cr钢表面制备了梯度Cr层和梯度CrMo层,开展了DGPSA工艺参数对渗层组织的影响;使用背散射电子成像结合能谱仪对渗层和基体的组织进行表征;同时,对渗层的硬度和耐腐蚀性能也进行了研究。论文主要工作如下:（1）分析和对比了DGPSA工艺参数（渗铬工艺时间、源极电压、阴极电...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DGPSA的部分工作原理图：A代表高能离子；B代表高能离子
图 3.2 不同电压下渗 Cr 截面组织图和 EDS 图谱：(a)、(b)和(c)阴极电压为 850V，源极电压为 950V；(d)、(e)和(f)阴极电压为 800V，源极电压为 900V。Fig. 3.2 cross-sectional microstructure of Chromizing and EDS patterns at different voltages: (a), (b)and (c) cathode voltage is 850V, source voltage is 950V; (d), (e) and (f) cathode voltage is 800V,source voltage is 900V.3.3 气压的影响DGPSA 主要利用氩气作为保护气体并且提供一定量的轰击离子以保证产生异常辉光放电。实验发现，虽然氩气的电离率较高，但是在氩气气氛中也容易产生弧源，其对渗金属过程将会产生显著的负面影响。考虑到氩气的负面效应，本文采用电离率稍微较低而不易产生弧源的高纯氮气为异常辉光放电提供轰击离子。根据气体放电理论可知，在异常辉光放电区域，电流密度与工作气压的平方成正比。因此，气压的变化将会导致电流密度的急剧变化。另外，气压大小对阴极和源极的电流密度、源极和阴极溅射量、欲渗粒子的沉积和扩散以及欲渗粒子的空间运输等都会产
具有较高的结合强度。为了比较不同氮气气压大小对渗 Cr 层组织的影氮气气压到 230Pa。图 3.3c 和 d 是氮气气压为 230Pa 的渗 Cr 截面组织图.3a 可以发现，随着氮气气压的增大，相对于图 3.3a 和 b 来说，渗 Cr 层的为 50μm）出现一定程度上的降低，但渗 Cr 层组织更加致密。从图 3.3b 的看出，渗Cr层组织也发现了明显的变化。渗Cr层由Cr-Fe SS 组成的等轴晶r-Fe IMs 组成的粗大晶粒区和由高 Cr 珠光体组成的影响层组成。另外，基r 层之间的结合仍是冶金结合，具有较好的结合强度。研究发现，随着氮小的增加，渗 Cr 层的组织和厚度会发生改变。因此，气压将会影响合金给能力和工件吸收活性原子的能力，从而影响渗层的形成。实验研究表明大或者过小，都会对合金渗层的形成产生影响。气压过大，离子轰击密度，然而轰击密度的增强将会导致背散射效应的增加，使得各种离子之间的增多，活性欲渗离子返回源极表面，从而导致欲渗活性原子减少，最终影层质量和厚度。气压过低，源极和阴极表面离子溅射密度降低，源极不能度的欲渗活性原子，工件的扩散能力受到削弱，导致合金渗层的厚度受到，选择合适的气压大小才能得到组织致密和性能良好的合金渗层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]沉积气压对多弧离子镀MoN涂层结构和性能的影响[J]. 包改磊,张大童,邱诚,李助军. 热加工工艺. 2018(24)
[2]脉冲偏压占空比对电弧离子镀TiAlN涂层的影响[J]. 付志强,苗志玲,岳文,王成彪,康嘉杰,朱丽娜,彭志坚. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[3]沉积温度对高功率脉冲磁控溅射AlCrSiN涂层结构和性能的影响[J]. 王铁钢,李柏松,张姣姣,唐宽瑜,刘艳梅,姜肃猛. 稀有金属材料与工程. 2018(08)
[4]锆合金表面磁控溅射与多弧离子镀Cr涂层的高温抗氧化性能[J]. 黄鹤,邱长军,陈勇,胡良斌,刘艳红,李怀林. 中国表面工程. 2018(02)
[5]预渗处理对预渗碳20钢盐浴钒铬共渗层结构及性能的影响[J]. 张进,吴思博,王浩宇,李承洋,向俊,孙才沅. 热加工工艺. 2016(14)
[6]沉积温度对磁控溅射Ni3Al-Cr薄膜微观结构及性能的影响[J]. 邢永燕,魏贤华,马拥军,代波. 功能材料. 2013(04)
[7]The application of back-scattered electron imaging for characterization of pearlitic steels[J]. GUO Ning,LIU Qing,XIN YunChang,LUAN BaiFeng&ZHOU Zheng Department of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China. Science China（Technological Sciences）. 2011(09)
[8]施加直流电场的快速粉末渗铬工艺[J]. 周正华,谢飞,潘献波,王燕,胡静. 材料热处理学报. 2011(02)
[9]偏压对磁控溅射Cr-N薄膜组织及性能影响[J]. 姚晓红,田林海,马永,唐宾. 武汉理工大学学报. 2010(18)
[10]双层辉光等离子表面冶金技术[J]. 徐重,张艳梅,张平则,贺志勇,高原. 热处理. 2009(01)
博士论文
[1]模具钢表面TD法制备碳化钒覆层的研究[D]. 刘秀娟.武汉理工大学 2007
硕士论文
[1]电场对粉末法化学热处理的影响及作用机理[D]. 孙力.常州大学 2012
[2]低温固体粉末渗铬机理的研究[D]. 赵晓博.山东大学 2011
[3]碳素工具钢TD盐浴铬钒共渗试验研究[D]. 程丰伟.武汉理工大学 2011
本文编号：3548688
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DGPSA的部分工作原理图：A代表高能离子；B代表高能离子
图 3.2 不同电压下渗 Cr 截面组织图和 EDS 图谱：(a)、(b)和(c)阴极电压为 850V，源极电压为 950V；(d)、(e)和(f)阴极电压为 800V，源极电压为 900V。Fig. 3.2 cross-sectional microstructure of Chromizing and EDS patterns at different voltages: (a), (b)and (c) cathode voltage is 850V, source voltage is 950V; (d), (e) and (f) cathode voltage is 800V,source voltage is 900V.3.3 气压的影响DGPSA 主要利用氩气作为保护气体并且提供一定量的轰击离子以保证产生异常辉光放电。实验发现，虽然氩气的电离率较高，但是在氩气气氛中也容易产生弧源，其对渗金属过程将会产生显著的负面影响。考虑到氩气的负面效应，本文采用电离率稍微较低而不易产生弧源的高纯氮气为异常辉光放电提供轰击离子。根据气体放电理论可知，在异常辉光放电区域，电流密度与工作气压的平方成正比。因此，气压的变化将会导致电流密度的急剧变化。另外，气压大小对阴极和源极的电流密度、源极和阴极溅射量、欲渗粒子的沉积和扩散以及欲渗粒子的空间运输等都会产
具有较高的结合强度。为了比较不同氮气气压大小对渗 Cr 层组织的影氮气气压到 230Pa。图 3.3c 和 d 是氮气气压为 230Pa 的渗 Cr 截面组织图.3a 可以发现，随着氮气气压的增大，相对于图 3.3a 和 b 来说，渗 Cr 层的为 50μm）出现一定程度上的降低，但渗 Cr 层组织更加致密。从图 3.3b 的看出，渗Cr层组织也发现了明显的变化。渗Cr层由Cr-Fe SS 组成的等轴晶r-Fe IMs 组成的粗大晶粒区和由高 Cr 珠光体组成的影响层组成。另外，基r 层之间的结合仍是冶金结合，具有较好的结合强度。研究发现，随着氮小的增加，渗 Cr 层的组织和厚度会发生改变。因此，气压将会影响合金给能力和工件吸收活性原子的能力，从而影响渗层的形成。实验研究表明大或者过小，都会对合金渗层的形成产生影响。气压过大，离子轰击密度，然而轰击密度的增强将会导致背散射效应的增加，使得各种离子之间的增多，活性欲渗离子返回源极表面，从而导致欲渗活性原子减少，最终影层质量和厚度。气压过低，源极和阴极表面离子溅射密度降低，源极不能度的欲渗活性原子，工件的扩散能力受到削弱，导致合金渗层的厚度受到，选择合适的气压大小才能得到组织致密和性能良好的合金渗层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]沉积气压对多弧离子镀MoN涂层结构和性能的影响[J]. 包改磊,张大童,邱诚,李助军. 热加工工艺. 2018(24)
[2]脉冲偏压占空比对电弧离子镀TiAlN涂层的影响[J]. 付志强,苗志玲,岳文,王成彪,康嘉杰,朱丽娜,彭志坚. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[3]沉积温度对高功率脉冲磁控溅射AlCrSiN涂层结构和性能的影响[J]. 王铁钢,李柏松,张姣姣,唐宽瑜,刘艳梅,姜肃猛. 稀有金属材料与工程. 2018(08)
[4]锆合金表面磁控溅射与多弧离子镀Cr涂层的高温抗氧化性能[J]. 黄鹤,邱长军,陈勇,胡良斌,刘艳红,李怀林. 中国表面工程. 2018(02)
[5]预渗处理对预渗碳20钢盐浴钒铬共渗层结构及性能的影响[J]. 张进,吴思博,王浩宇,李承洋,向俊,孙才沅. 热加工工艺. 2016(14)
[6]沉积温度对磁控溅射Ni3Al-Cr薄膜微观结构及性能的影响[J]. 邢永燕,魏贤华,马拥军,代波. 功能材料. 2013(04)
[7]The application of back-scattered electron imaging for characterization of pearlitic steels[J]. GUO Ning,LIU Qing,XIN YunChang,LUAN BaiFeng&ZHOU Zheng Department of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China. Science China（Technological Sciences）. 2011(09)
[8]施加直流电场的快速粉末渗铬工艺[J]. 周正华,谢飞,潘献波,王燕,胡静. 材料热处理学报. 2011(02)
[9]偏压对磁控溅射Cr-N薄膜组织及性能影响[J]. 姚晓红,田林海,马永,唐宾. 武汉理工大学学报. 2010(18)
[10]双层辉光等离子表面冶金技术[J]. 徐重,张艳梅,张平则,贺志勇,高原. 热处理. 2009(01)
博士论文
[1]模具钢表面TD法制备碳化钒覆层的研究[D]. 刘秀娟.武汉理工大学 2007
硕士论文
[1]电场对粉末法化学热处理的影响及作用机理[D]. 孙力.常州大学 2012
[2]低温固体粉末渗铬机理的研究[D]. 赵晓博.山东大学 2011
[3]碳素工具钢TD盐浴铬钒共渗试验研究[D]. 程丰伟.武汉理工大学 2011
本文编号：3548688
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