脉冲磁化与等离子体渗氮复合工艺及其数值模拟

摘要

离子氮化技术已在工业中广泛运用，在表面处理行业中具有广阔的前景。随着对材料表面性能要求越来越苛刻，离子氮化工作人员的处理经验和氮化层的质量却制约着离子氮化的发展。与此同时，因中碳钢材料渗氮层浅，渗氮后表面硬度提高不显著，在实际生产中，中碳钢很少用离子氮化作表面处理。离子渗氮在中碳钢领域没有特别进展，中碳钢多采用高频淬火等方式强化表面。
　　为了解决上述问题，提出脉冲磁化与等离子渗氮复合技术方案，对45钢进行新复合工艺实验研究，进一步改善中碳钢表面的耐磨性与耐久性;并将ANSYS有限元分析和人工神经网络引入复合工艺参数设计中，为实现数字智能化离子渗氮处理打下基础。
　　首先建立BP人工神经网络，获得离子渗氮工艺所需的温度、时间和氨气流量;其次利用ANSYS有限元分析软件对渗氮炉进行热分析和氨气流场分析确定渗氮样品的在炉内的摆放位置;制作一台适用的脉冲磁化装置，对一批45钢试件进行100周次脉冲磁化处理;再将未进行脉冲磁化处理的与脉冲磁化处理的45钢试件同炉进行离子渗氮;利用金相显微镜，显微硬度计，耐磨性测试仪对实验结果进行检测，最后对比分析验证实验结果。
　　通过ANSYS有限元分析和人工神经网络指导渗氮工艺参数设计，进行离子渗氮处理后，实验所得渗层厚度与硬度与目标值误差在7％以内;经复合工艺处理的试样对比常规离子渗氮工艺的试样，其表面硬度、渗层厚度和耐磨性都提高100％～150％左右。
　　脉冲磁化与等离子渗氮复合新工艺显著提高了渗氮效果，弥补了中碳钢常规离子渗氮的不足。首次提出了脉冲磁化促渗机理，对复合工艺的发展具有重要理论意义;渗氮炉的有限元模拟以及人工神经网络的引入，一定程度上解决了离子渗氮的可靠性和可控性的问题，为等离子渗氮的智能化与普及铺下了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 等离子渗氮

1．1．1 等离子渗氮的基础

1．1．2 等离子渗氮的特点

1．1．3 等离子渗氮的进展

1．2 脉冲磁化基础

1．2．1 脉冲磁化的背景

1．2．2 铁磁材料磁化的原理

1．2．3 脉冲磁化的原理

1．2．4 脉冲磁化的进展

1．3 表面热处理的数值模拟现状

1．4 45钢的特性与脉状氮化物

1．5 本论文研究的目的意义内容及方法

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 实施方案及技术路线

第二章 实验材料、设备以及方法

2．1 实验材料

2．2 离子渗氮设备与实验

2．3 脉冲磁化装置与实验

2．4 复合工艺性能试验

2．4．1 显微金相组织观察

2．4．2 显微梯度硬度检测

2．4．3 耐磨损测试

第三章 基于数值模拟的工艺参数设计

3．1 离子渗氮炉三维立体建模

3．2 基于CFX的渗氮炉流场分析

3．3 基于ANSYS的渗氮炉热分析

3．3．1 ANSYS的渗氮炉温度场的模型与假设

3．3．2 基于ANSYS的渗氮炉温度场分析

3．4 基于BP神经网络的渗氮工艺参数设计

3．4．1 BP神经网络原理

3．4．2 基于BP神经网络的渗氮模型

第四章 复合工艺处理试样的表面性能

4．1 脉冲磁化与离子渗氮复合工艺处理

4．2 复合工艺的金相组织与分析

4．3 复合工艺的梯度硬度与分析

4．4 复合工艺的耐磨性与分析

第五章 复合工艺的机理

5．1 脉冲磁化、残余应力以及位错的相互关系

5．1．1 固体扩散的菲克定律

5．1．2 磁畴运动与残余应力

5．2 脉冲磁化促渗机理

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望与不足

6．2．1 不足

6．2．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论著及取得的科研成果