金属钛熔盐电解法渗硼的研究

发布时间：2017-09-30 18:30

  本文关键词：金属钛熔盐电解法渗硼的研究

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【摘要】：随着新技术研发和节能减排的实施,金属钛作为一种重要的新型结构材料,逐渐成为新世纪的 第三金属‖。但是钛的硬度低、耐磨性能较差,限制了其在相关行业中的应用。由于Ti与B反应形成的Ti B2具有高熔点、高硬度、高强度等一系列优点,渗硼技术成为提高钛及钛合金表面硬度及耐磨性的较经济而有效的手段之一,也是近年来金属表面工程技术领域的研究热点之一。本文采用熔盐电解法对金属钛进行表面渗硼,研究了相关的工艺参数和机理。首先,选用重量比为8:2的无水硼砂和碳酸钠的混合盐进行熔盐电解渗硼实验。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对渗硼试样的断面形貌及元素进行分析;采用X射线衍射仪(XRD)对渗硼试样表面及冷却后的熔盐进行物相分析;借助于显微硬度计测量渗层硬度。实验结果表明:当电流密度为3000A/m2、温度为910℃、保温2h可得到双相硼化物Ti B2和Ti B渗层。试样外表层形成Ti B2,内表层形成Ti B;在此条件下获得的渗层厚度为36um,其中Ti B2的厚度约为9um;渗硼后试样硬度值是基体钛的3~4倍,明显提高了材料的表面硬度,达到表面改性的基本目的;分析了电流密度、渗硼时间及温度对渗层形貌及厚度的影响。其次,针对渗硼时出现的TiB2渗层较为疏松的情况,通过在熔盐中添加稀土以增加渗层的致密性。实验结果表明:添加稀土的熔盐组成为80%Na2B4O7:16%Na2CO3:4%Ce O2时,所得渗硼组织均匀致密、结构完整。对渗硼过程中钛和硼化物的氧化反应及相关的渗硼反应进行了热力学计算,结合实验结果对渗硼机理进行了分析与推测。在惰性气氛保护下,渗硼时先在金属钛表面形成了Ti B2,Ti B2与基体内的Ti反应生成Ti B;同时新生成的B原子扩散通过Ti B2,然后扩散至Ti B晶体表面与Ti反应得到Ti B,晶须状的Ti B与基体组织紧密结合。对渗硼过程进行了动力学分析,得出反应常数与渗层温度的关系为Log10D=-1.95-4572/T。
【关键词】：熔盐电解法 渗硼 工艺参数 热力学 动力学
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-25
• 1.1 金属钛的性质及用途9-13
• 1.1.1 金属钛的性质及结构9-11
• 1.1.2 金属钛的分类11
• 1.1.3 金属钛的用途11-13
• 1.2 金属钛表面处理技术13-20
• 1.2.1 金属钛的缺点13-14
• 1.2.2 表面改性技术14-20
• 1.3 熔盐电解渗硼技术20-23
• 1.3.1 渗硼技术的发展历程20
• 1.3.2 熔盐电解法渗硼20-22
• 1.3.3 熔盐的组成22-23
• 1.4 研究的目的和意义及主要研究内容23-25
• 1.4.1 研究的目的和意义23
• 1.4.2 主要研究内容23-25
• 2 实验材料与方法25-31
• 2.1 实验材料与规格25
• 2.2 实验所用试剂与仪器设备25-26
• 2.2.1 实验所用的主要试剂25-26
• 2.2.2 实验仪器与设备26
• 2.3 渗硼实验流程26-29
• 2.3.1 纯钛试样的预处理26
• 2.3.2 渗硼实验26-28
• 2.3.3 渗硼试样的处理28-29
• 2.4 渗层组织及检测方法29-31
• 2.4.1 显微组织观察和分析29-30
• 2.4.2 渗层硬度的测定30-31
• 3 金属钛熔盐电解法渗硼实验研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 渗硼影响因素的研究31-41
• 3.2.1 温度对渗层的影响31-34
• 3.2.2 电流密度对渗层的影响34-39
• 3.2.3 时间对渗层的影响39-41
• 3.3 渗层的性能检测41-42
• 3.3.1 渗层显微硬度41-42
• 3.4 小结42-43
• 4 金属钛熔盐电解法的稀土-硼共渗实验43-49
• 4.1 引言43
• 4.2 稀土-硼共渗实验43-46
• 4.3 稀土-硼共渗和渗硼组织形貌对比46-48
• 4.4 小结48-49
• 5 金属钛渗硼实验的热力学及动力学分析49-63
• 5.1 引言49
• 5.2 钛的氧化分析49-50
• 5.3 硼化钛的氧化分析50-52
• 5.4 渗层热力学计算52-55
• 5.4.1 Ti-B二元相图52
• 5.4.2 Ti-B系反应机理52-55
• 5.5 渗层的动力学分析55-61
• 5.5.1 Ti-B系扩散动力学计算55-57
• 5.5.2 渗硼过程的动力学57-61
• 5.6 小结61-63
• 6 结论及展望63-65
• 6.1 结论63
• 6.2 展望63-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文73

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本文编号：949789