工業(yè)純鐵表面納米合金化改性及原子擴(kuò)散行為研究.pdf

1、現(xiàn)有的金屬表面合金化手段往往要在高溫下、長時(shí)間處理，以實(shí)現(xiàn)原子的滲入，這不僅可能會(huì)對基體的組織性能產(chǎn)生不利影響，也造成了資源、能源的浪費(fèi)。針對這一問題，本文將金屬表面自納米化技術(shù)與表面合金化技術(shù)相結(jié)合，對工業(yè)純鐵進(jìn)行納米合金化改性。其核心思想是利用納米晶鐵中的晶界、缺陷等為原子擴(kuò)散提供大量擴(kuò)散通道，從而能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)原子的快速擴(kuò)散，降低表面合金化溫度，縮短擴(kuò)滲時(shí)間。表面納米合金化改性主要涉及四個(gè)方面的內(nèi)容，即自納米化組織的獲得、

2、納米晶中原子的擴(kuò)散、擴(kuò)散過程中的相變以及納米合金化改性層的性能。
　　 本文首先利用高能噴丸法對工業(yè)純鐵進(jìn)行了表面自納米化處理，運(yùn)用OM、XRD、SEM、EBSD等手段對其自納米化組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)表征與分析，得到了工業(yè)純鐵高能噴丸自納米化工藝和機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，通過不同擴(kuò)散源和應(yīng)力加載方式的擴(kuò)散處理，在工業(yè)純鐵表面獲得了多種表面納米合金化改性層；重點(diǎn)對鎳原子在納米晶鐵中的擴(kuò)散行為進(jìn)行了研究；然后對納米合金化改性過程中的相變進(jìn)行

3、了分析；最后對納米合金化改性層的顯微硬度、耐蝕性及耐磨性進(jìn)行了表征與研究。
　　 研究結(jié)果表明，在噴丸壓力0.6MPa，噴丸彈丸直徑1.0mm，噴嘴距噴丸表面距離50mm的工藝條件下，經(jīng)6min噴丸處理，工業(yè)純鐵的表層晶粒被細(xì)化到了43.9nm，微觀畸變?yōu)?.0652％；獲得了本文擴(kuò)散處理所需的工業(yè)純鐵自納米化樣品。表面納米化組織的退火和熱分析試驗(yàn)結(jié)果表明，自納米化工業(yè)純鐵在600℃時(shí)晶粒已開始長大。
　　 工業(yè)純鐵高能

4、噴丸表面自納米化過程中的晶粒細(xì)化主要有三個(gè)方面的機(jī)制：一方面是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在大晶粒內(nèi)部形成較大取向差的亞晶界，隨著位錯(cuò)不斷的湮滅、重排，亞晶界的取向差不斷增大，最后演變成為晶界，大晶粒被細(xì)化成小晶粒。二是利用晶粒取向差不同而變形不同步的特點(diǎn)，逐漸將不同晶粒和晶粒內(nèi)部不同部分分開從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。三是在噴丸過程中發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶，不斷形成新的小晶粒，從而細(xì)化晶粒。
　　 在650～850℃之間對擴(kuò)散偶施加10MPa恒定壓力擴(kuò)

5、散實(shí)驗(yàn)表明，鎳原子在納米晶純鐵中的擴(kuò)散系數(shù)比其在常規(guī)粗晶中提高了一個(gè)數(shù)量級；在850℃對擴(kuò)散偶施加8～16MPa脈沖壓力擴(kuò)散時(shí)，鎳在納米晶鐵中的擴(kuò)散系數(shù)較恒定加壓進(jìn)一步提高。在用Arrhenius公式計(jì)算納米晶中原子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮升溫會(huì)導(dǎo)致納米晶晶界數(shù)量減少從而降低擴(kuò)散系數(shù)因素。
　　 對自納米化工業(yè)純鐵擴(kuò)散處理過程中的相變研究表明，在不同納米合金化改性層中除了α-Fe外，主要形成了FeNi3、Fe2Ni0.25、NiCr

6、和NiCr2等金屬間化合物。經(jīng)退火處理后，不同納米合金化改性層的金屬間化合物數(shù)量大大減少，物相主要是固溶體，而且都出現(xiàn)了一定數(shù)量的奧氏體。
　　 晶粒細(xì)化、應(yīng)力集中以及晶格畸變共同作用導(dǎo)致工業(yè)純鐵自納米化處理后的硬度增加；合金化改性后，由于合金元素的滲入，形成了固溶強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致其硬度較原始試樣提高。表面自納米化導(dǎo)致純鐵的耐腐蝕性有所降低，合金化改性后耐蝕性有所提高；自納米化純鐵以化學(xué)腐蝕為主，而合金化改性層的腐蝕主要是以電化學(xué)