純鐵及結(jié)構(gòu)鋼快速氣體滲氮工藝及機(jī)理研究.pdf

1、氣體滲氮是將鋼鐵零件置于一定溫度（500~580℃）的含氮?dú)夥罩斜匾欢〞r(shí)間后使氮原子滲入零件表面的化學(xué)熱處理技術(shù)，可以顯著提高零件表面的硬度、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕及耐磨性能等。常規(guī)的氣體滲氮方法具有工藝周期長(zhǎng)（20~80h）、生產(chǎn)效率低以及能源消耗大等缺點(diǎn)，并且滲氮零件表層脆性大、易剝落，這些局限在相當(dāng)程度上限制了氣體滲氮技術(shù)的發(fā)展。如何從氣體滲氮基礎(chǔ)理論著手，開發(fā)新的快速氣體滲氮工藝以加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程、提高滲氮效率、降低能源消耗，并在

2、此基礎(chǔ)上有效改善滲氮層質(zhì)量，深層次挖掘氣體滲氮在金屬材料表面改性方面的潛力，已經(jīng)成為當(dāng)前氣體滲氮技術(shù)發(fā)展的主要方向。
　　本文將壓力參數(shù)引入氣體滲氮工藝中，系統(tǒng)研究了純鐵及兩種合金結(jié)構(gòu)鋼的增壓氣體滲氮行為，借助光學(xué)金相（OM）、X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）等方法表征了增壓氣體滲氮后滲氮層組織形貌及物相結(jié)構(gòu)，分析了壓力參數(shù)對(duì)滲氮層微觀組織、耐磨性能、耐腐蝕性能以及氣體滲氮?jiǎng)恿W(xué)的影響，并結(jié)合熱力學(xué)與動(dòng)

3、力學(xué)理論討論了增壓快速氣體滲氮的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，還提出了增壓控滲與冷變形復(fù)合處理以及循環(huán)變壓氣體滲氮等改善滲氮層性能的新方法，并對(duì)增壓氣體滲氮在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用進(jìn)行了探索。取得如下主要研究結(jié)果：
　　研究了純鐵樣品在以NH3為介質(zhì)，500℃、5h和1~5atm壓力條件下的氣體滲氮行為，確定了壓力參數(shù)對(duì)純鐵樣品滲氮層微觀組織、硬度及厚度的影響規(guī)律，定量計(jì)算了增壓氣體滲氮的氮?jiǎng)莶㈥U明了其隨滲氮壓力變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)純鐵的滲氮表層組織、

4、硬度及氣氛氮?jiǎng)菥芙橘|(zhì)壓力的直接控制，且增壓氣體滲氮工藝可以顯著加速純鐵的氣體滲氮?jiǎng)恿W(xué)過程。隨著滲氮壓力的增加，純鐵樣品表層γ′-Fe4N與ε-Fe2-3N的相比例先降低后升高，而氮?jiǎng)菁皾B氮表層硬度均呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)。純鐵樣品經(jīng)500℃和5atm下氣體滲氮處理5h后滲氮層厚度（1160μm）同比達(dá)到常規(guī)氣體滲氮層厚度（205μm）的5倍以上。
　　結(jié)合熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論分析了增壓氣體滲氮表層組織演變行為及滲氮層快速增

5、厚機(jī)制，發(fā)現(xiàn)增加滲氮壓力可顯著提高氣體介質(zhì)的動(dòng)能及工件表面對(duì)活性NH3及N原子的吸附能力，加大界面反應(yīng)速度，消除常規(guī)氣體滲氮中存在的氮?jiǎng)莶▌?dòng)現(xiàn)象，同時(shí)還可以抑制氨氣的分解過程，實(shí)現(xiàn)氮?jiǎng)莸闹鲃?dòng)控制。
　　確定了38CrMoAlA鋼在以NH3為介質(zhì)，510℃、0~0.50MPa壓力下滲氮5h后的氣體滲氮特性，并結(jié)合滲氮表層的相組成及硬度等系統(tǒng)表征了增壓氣體滲氮樣品的表面耐磨性能及耐腐蝕性能等。發(fā)現(xiàn)38CrMoAlA鋼的滲氮層厚度隨滲氮

6、壓力的升高而逐漸增加，且經(jīng)510℃和0.50MPa壓力下滲氮5h后的滲氮層厚度可達(dá)400μm，幾乎與常規(guī)滲氮50h所得的硬化層厚度（440μm）相當(dāng)。隨著介質(zhì)壓力的增大，滲氮樣品表層耐磨性能先降低后提高，而且表層耐蝕性能呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。
　　提出了一種合金結(jié)構(gòu)鋼表面高強(qiáng)度高韌性滲氮層的快速制備新工藝，對(duì)比研究了38CrMoAlA鋼在530℃條件下，分別經(jīng)常規(guī)氣體滲氮處理30h（0MPa，0.50L/min）、增壓氣體控

7、滲5h（0.50MPa，0.20~0.30L/min）及復(fù)合工藝（增壓控滲5h+30％冷軋）處理后表層的硬度、韌性、耐磨性及耐熱疲勞性能。發(fā)現(xiàn)常規(guī)氣體滲氮表層硬度較高（1165HV），但韌性最差；增壓控滲表層硬度稍低（1080HV），但韌性較好；復(fù)合工藝處理表層硬度（1160HV）及韌性均較優(yōu)良。在高剪切應(yīng)力磨損條件下，增壓控滲及復(fù)合工藝處理表層的磨損失重均低于常規(guī)氣體滲氮層，且復(fù)合工藝處理表層的耐磨性能最優(yōu)。在20℃至600℃熱循環(huán)處

8、理10~300次條件下，增壓控滲及復(fù)合工藝處理表層的抗開裂性能均優(yōu)于常規(guī)滲氮表層，相比之下復(fù)合工藝處理表層的耐熱疲勞性能最佳。
　　研究了42CrMo鋼在既定的滲氮周期內(nèi)（6h）以NH3為介質(zhì)、530℃及不同壓力循環(huán)次數(shù)條件下的氣體滲氮行為，確定了不同壓力循環(huán)次數(shù)下該鋼氣體滲氮層的微觀組織特性，給出了滲氮層硬度及厚度隨壓力循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，揭示了循環(huán)壓力滲氮層快速增厚機(jī)制和滲氮表層脆性控制機(jī)理。在滲氮溫度和時(shí)間相同條件下，循環(huán)壓