42CrMo鋼等離子滲氮表面強化與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著工業(yè)進程的加快，制造業(yè)也在飛速的發(fā)展，這就對機器零件的服役壽命提出了更高的要求。而研究表明零件的失效往往都是從表面開始的，例如軸承、齒輪等零件長期處于服役狀態(tài)下，表面磨損容易導致零件失效。這就需要對零件表面進行強化處理，提高零件的表面性能來滿足服役要求。
　　離子滲氮作為一種常用的表面強化技術，在保證零件內部強韌性的同時，能夠提高表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞等性能，從而提高零件的服役壽命。離子滲氮具有變形小、成本低、容易

2、實現(xiàn)局部滲氮等優(yōu)點，從而得到了大量應用，并取得了長足的發(fā)展。隨著離子滲氮技術的發(fā)展，生產(chǎn)工作者們迫切的需要通過有效的數(shù)學模型來預測滲氮的過程，從而制定合理的工藝參數(shù)，而不是通過經(jīng)驗來給出工藝參數(shù)。針對以上情況，本文做了以下研究。
　　以調質處理狀態(tài)的低合金鋼42CrMo作為基體材料進行離子滲氮試驗研究。選取3個溫度參數(shù)（510℃、540℃、560℃），4個時間參數(shù)（1h、3h、5h、7h），分析了滲氮時間和滲氮溫度對滲氮層的影響。

3、研究表明，隨著滲氮時間和滲氮溫度的增加，滲氮層厚度和復合層厚度都增加。通過離子滲氮層的截面光學照片和 SEM照片來標定復合層厚度，結果顯示兩種方法都能很好的說明復合層厚度變化與滲氮溫度和滲氮時間的關系，而SEM照片標定更合理。XRD實驗結果表明，溫度的升高會使γ’相的相對含量逐漸增加，而ε-Fe2-3N相的相對含量逐漸減??；隨著時間的增加ε相的相對含量逐漸增加，γ’相的相對含量減少。通過對滲氮層的分析表征實驗收集數(shù)據(jù)，為滲氮模型的建立與

4、驗證做準備。
　　本文根據(jù)實際情況，提出假設，建立了離子滲氮的擴散-反應模型，考慮氮原子的擴散行為的同時考慮了合金氮化物（如CrN等）的析出，計算了擴散層中總氮元素質量分數(shù)，固溶在α-Fe中的氮元素質量分數(shù)，基體中Cr元素的質量分數(shù)。在此基礎上考慮只包含γ’相的復合層生成對擴散層氮質量分數(shù)的影響，計算了復合層+擴散層中總的氮質量分數(shù)，并與實測結果進行對比。
　　建立了離子滲氮的變擴散系數(shù)模型，認為離子滲氮過程全部都是擴散過程

5、，只是擴散系數(shù)是隨著氮質量分數(shù)變化而變化的。首先，測量540℃-5H離子滲氮試樣的截面顯微硬度，將硬度與深度數(shù)據(jù)進行擬合，認為氮質量分數(shù)和硬度值呈線性關系，得到該工藝參數(shù)離子滲氮的氮質量分數(shù)。通過三次樣條插值法將擴散系數(shù)與氮質量分數(shù)擬合，得到擴散系數(shù)與氮質量分數(shù)的關系函數(shù)。采用三層格式重新推導Crank-Nicolson差分方程，通過差分方程可計算出之后任意時刻的氮濃度，同時可以反推出硬度值。對比計算值和測量值，發(fā)現(xiàn)兩者能夠很好的匹配。