4Cr13、8Cr17不锈钢表面等离子渗锆层组织及性能研究

发布时间：2017-10-06 01:26

  本文关键词：4Cr13、8Cr17不锈钢表面等离子渗锆层组织及性能研究

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【摘要】：马氏体不锈钢因其较高的硬度、较好的耐磨和耐蚀性,主要用于制造蒸汽涡轮的叶片、医疗器械及测量用具等。然而,对于那些长时间遭受机械作用或化学反应的工程构件,常规热处理后的马氏体不锈钢,其表面强度和耐磨性能并不能满足这些“恶劣”工作环境下的要求。本课题采用等离子表面合金化技术,在4Cr13和8Cr17马氏体不锈钢表面制备出性能良好的渗锆合金层,分析了合金化温度和时间对渗锆合金层组织、成分及结构的影响,并对合金层形成机制进行了讨论;研究了渗锆合金层的硬度、纳米力学性能和摩擦磨损性能,分析了不同合金化时间得到的渗锆合金层的磨损机理。研究结果表明:(1)利用双辉等离子锆合金化技术在4Cr13和8Cr17不锈钢表面均制备出致密的渗锆合金层。该合金层主要由外层的富锆层、富ZrC中间层和Zr-C-Cr-Fe扩散层组成,合金层与不锈钢基体形成良好的扩散结合。(2)4Cr13和8Cr17不锈钢表面形成的渗锆合金层厚度随渗锆温度的升高和时间的延长而增加。在900?C~1000?C范围内,4Cr13钢表面合金层厚度由16μm逐渐增加至23μm;8Cr17表面合金层厚度由17μm增至24μm。温度的升高,原子的扩散系数增大,导致渗层厚度增加。当渗锆保温时间由0.5h延长至4h时,4Cr13和8Cr17钢表面渗锆合金层厚度分别从3μm增加至24μm和3μm增至27μm,两种不锈钢表面渗锆合金层整体厚度随保温时间的增加近似直线上升,而富ZrC层厚度随保温时间呈抛物线上升。(3)4Cr13和8Cr17钢等离子渗锆后显微硬度均明显提高。其中,4Cr13钢富锆层和富ZrC层的硬度值分别为608HV0.025和844HV0.025;8Cr17渗锆处理后富锆层和富ZrC层的硬度值分别达到618HV0.025和863HV0.025。渗锆表面硬化机制归因于锆渗入产生的固溶强化和ZrC、ZrFe2的弥散强化(4)纳米压入测试结果表明,4Cr13和8Cr17不锈钢表面渗Zr合金层均具有较高的硬度和弹性模量,力学性能得到了提高。当最大载荷为5mN时,在4Cr13和8Cr17不锈钢表面渗Zr合金层的测试点中,均是对应富ZrC层处测试点的最大压入深度最浅,硬度和弹性模量值最大,承载能力得到了明显提高。较接近的弹性模量分布使合金层不同组织之间的形变协调性好,性能过渡平缓,界面结合强度高。(5)4Cr13和8Cr17不锈钢经950?C不同时间渗锆后的摩擦系数均低于未处理的不锈钢基材,比磨损率相比基材也均有不同程度的下降,尤其是950?C/0.5h渗锆后的4Cr13和8Cr17钢的摩擦系数仅为0.3,比磨损率分别是未处理基材的1/6和1/4,表现出良好的减摩和耐磨性能,渗锆合金层中硬质相ZrC的形成以及锆的固溶强化作用是耐磨性显著提高的主要原因。
【关键词】：等离子渗锆 马氏体不锈钢 碳化锆 硬度 纳米压入 摩擦磨损
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景11
• 1.2 马氏体不锈钢11-13
• 1.3 马氏体不锈钢表面处理13-15
• 1.4 双辉等离子渗金属技术15-17
• 1.4.1 双辉等离子渗金属技术原理15-16
• 1.4.2 双辉等离子渗金属的特点16
• 1.4.3 双辉等离子渗金属在不锈钢的应用16-17
• 1.5 锆元素及碳化锆17-18
• 1.5.1 锆元素17
• 1.5.2 碳化锆17-18
• 1.6 课题的提出18-21
• 1.6.1 课题可行性分析18-19
• 1.6.2 课题主要研究内容19-21
• 第二章 实验设备及方法21-29
• 2.1 渗锆合金层制备21-23
• 2.1.1 实验材料21
• 2.1.2 实验设备21-22
• 2.1.3 操作步骤22-23
• 2.2 工艺参数的选择23-25
• 2.2.1 工作气压23
• 2.2.2 源极-阴极极间距23
• 2.2.3 渗金属温度23-24
• 2.2.4 保温时间24
• 2.2.5 源极-阴极电压差24-25
• 2.3 纳米压入实验25-26
• 2.3.1 纳米压入实验设备25
• 2.3.2 纳米压入测试原理25-26
• 2.4 摩擦磨损实验26-27
• 2.4.1 摩擦磨损行为26
• 2.4.2 摩擦磨损性能评价26-27
• 2.4.3 摩擦磨损实验方法27
• 2.5 检测仪器27-29
• 第三章 温度和时间对等离子渗锆合金层的影响29-45
• 3.1 表面渗锆工艺研究29-34
• 3.1.1 4Cr13不锈钢表面渗锆合金层组织29-31
• 3.1.2 8Cr17不锈钢表面渗锆合金层组织31-33
• 3.1.3 表面渗锆合金层形成机制33-34
• 3.2 渗锆温度对表面合金层组织的影响34-37
• 3.2.1 4Cr13不锈钢不同温度渗锆合金层组织34-35
• 3.2.2 8Cr17不锈钢不同温度渗锆合金层组织35-37
• 3.3 渗锆时间对表面渗锆合金层组织的影响37-41
• 3.3.1 4Cr13不锈钢不同时间渗锆合金层组织37-39
• 3.3.2 8Cr17不锈钢不同时间渗锆合金层组织39-41
• 3.4 表面渗锆合金层结合强度41-43
• 3.5 小结43-45
• 第四章 渗锆合金层硬度及纳米压入测试分析45-55
• 4.1 表面渗锆合金层显微硬度45-46
• 4.2 纳米压入测试结果及分析46-53
• 4.2.1 4Cr13不锈钢渗锆合金层截面纳米压入测试结果及分析47-50
• 4.2.2 8Cr17不锈钢渗锆合金层截面纳米压入测试结果及分析50-53
• 4.3 小结53-55
• 第五章 渗锆合金层的摩擦磨损性能55-71
• 5.1 4Cr13不锈钢渗锆合金层的摩擦学性能55-61
• 5.1.1 4Cr13不锈钢渗锆合金层的摩擦系数55-57
• 5.1.2 4Cr13不锈钢渗锆合金层的磨痕形貌57-59
• 5.1.3 4Cr13不锈钢渗锆合金层的比磨损率59-61
• 5.2 8Cr17不锈钢渗锆合金层的摩擦学性能61-68
• 5.2.1 8Cr17不锈钢渗锆合金层的摩擦系数61-63
• 5.2.2 8Cr17不锈钢渗锆合金层的磨痕形貌63-66
• 5.2.3 8Cr17不锈钢渗锆合金层的比磨损率66-68
• 5.3 摩擦磨损机理分析68-69
• 5.3.1 4Cr13和 8Cr17不锈钢基材摩擦磨损机理68
• 5.3.2 4Cr13和 8Cr17不锈钢渗锆合金层摩擦磨损机理68-69
• 5.4 小结69-71
• 第六章 结论71-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士期间发表的硕士论文81

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