纯铁及结构钢快速气体渗氮工艺及机理研究

发布时间：2019-01-22 10:49

【摘要】：气体渗氮是将钢铁零件置于一定温度(500~580°C)的含氮气氛中保温一定时间后使氮原子渗入零件表面的化学热处理技术,可以显著提高零件表面的硬度、疲劳强度、耐腐蚀及耐磨性能等。常规的气体渗氮方法具有工艺周期长(20~80 h)、生产效率低以及能源消耗大等缺点,并且渗氮零件表层脆性大、易剥落,这些局限在相当程度上限制了气体渗氮技术的发展。如何从气体渗氮基础理论着手,开发新的快速气体渗氮工艺以加速反应动力学过程、提高渗氮效率、降低能源消耗,并在此基础上有效改善渗氮层质量,深层次挖掘气体渗氮在金属材料表面改性方面的潜力,已经成为当前气体渗氮技术发展的主要方向。本文将压力参数引入气体渗氮工艺中,系统研究了纯铁及两种合金结构钢的增压气体渗氮行为,借助光学金相(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法表征了增压气体渗氮后渗氮层组织形貌及物相结构,分析了压力参数对渗氮层微观组织、耐磨性能、耐腐蚀性能以及气体渗氮动力学的影响,并结合热力学与动力学理论讨论了增压快速气体渗氮的机制。在此基础上,还提出了增压控渗与冷变形复合处理以及循环变压气体渗氮等改善渗氮层性能的新方法,并对增压气体渗氮在工业生产上的应用进行了探索。取得如下主要研究结果:研究了纯铁样品在以NH3为介质,500°C、5 h和1~5 atm压力条件下的气体渗氮行为,确定了压力参数对纯铁样品渗氮层微观组织、硬度及厚度的影响规律,定量计算了增压气体渗氮的氮势并阐明了其随渗氮压力变化的规律。发现纯铁的渗氮表层组织、硬度及气氛氮势均受介质压力的直接控制,且增压气体渗氮工艺可以显著加速纯铁的气体渗氮动力学过程。随着渗氮压力的增加,纯铁样品表层γ′-Fe4N与ε-Fe2-3N的相比例先降低后升高,而氮势及渗氮表层硬度均呈现出先增加后降低的变化趋势。纯铁样品经500°C和5 atm下气体渗氮处理5 h后渗氮层厚度(1160μm)同比达到常规气体渗氮层厚度(205μm)的5倍以上。结合热力学与动力学理论分析了增压气体渗氮表层组织演变行为及渗氮层快速增厚机制,发现增加渗氮压力可显著提高气体介质的动能及工件表面对活性NH3及N原子的吸附能力,加大界面反应速度,消除常规气体渗氮中存在的氮势波动现象,同时还可以抑制氨气的分解过程,实现氮势的主动控制。确定了38CrMoAlA钢在以NH3为介质,510°C、0~0.50 MPa压力下渗氮5 h后的气体渗氮特性,并结合渗氮表层的相组成及硬度等系统表征了增压气体渗氮样品的表面耐磨性能及耐腐蚀性能等。发现38CrMoAlA钢的渗氮层厚度随渗氮压力的升高而逐渐增加,且经510°C和0.50 MPa压力下渗氮5 h后的渗氮层厚度可达400μm,几乎与常规渗氮50 h所得的硬化层厚度(440μm)相当。随着介质压力的增大,渗氮样品表层耐磨性能先降低后提高,而且表层耐蚀性能呈现先增加后降低的变化趋势。提出了一种合金结构钢表面高强度高韧性渗氮层的快速制备新工艺,对比研究了38CrMoAlA钢在530°C条件下,分别经常规气体渗氮处理30 h(0 MPa,0.50L/min)、增压气体控渗5 h(0.50 MPa,0.20~0.30 L/min)及复合工艺(增压控渗5 h+30%冷轧)处理后表层的硬度、韧性、耐磨性及耐热疲劳性能。发现常规气体渗氮表层硬度较高(1165 HV),但韧性最差;增压控渗表层硬度稍低(1080 HV),但韧性较好;复合工艺处理表层硬度(1160 HV)及韧性均较优良。在高剪切应力磨损条件下,增压控渗及复合工艺处理表层的磨损失重均低于常规气体渗氮层,且复合工艺处理表层的耐磨性能最优。在20°C至600°C热循环处理10~300次条件下,增压控渗及复合工艺处理表层的抗开裂性能均优于常规渗氮表层,相比之下复合工艺处理表层的耐热疲劳性能最佳。研究了42CrMo钢在既定的渗氮周期内(6 h)以NH3为介质、530°C及不同压力循环次数条件下的气体渗氮行为,确定了不同压力循环次数下该钢气体渗氮层的微观组织特性,给出了渗氮层硬度及厚度随压力循环次数的变化规律,揭示了循环压力渗氮层快速增厚机制和渗氮表层脆性控制机理。在渗氮温度和时间相同条件下,循环压力气体渗氮样品化合物层随压力循环次数的增加逐渐减薄,渗氮层整体厚度随压力循环次数的增加逐渐增加,同时渗氮表层脆性随压力循环次数的增加逐渐减小。采用循环压力气体渗氮可有效抑制化合物层的生成及快速长大,在降低渗氮样品表层脆性的同时,打破N原子的扩散屏障,进一步加速了气体渗氮动力学过程。
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【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG156.82

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