低碳合金结构钢渗氮奥氏体与其中温回火工艺的研究

摘要

气体渗氮是目前工业上应用相当广泛的金属材料表面强化技术之一，这项技术可以有效提高工件表面的硬度、强度、抗摩擦磨损能力、耐热疲劳性和抗腐蚀能力。为了满足生产技术不断发展与需要，渗氮工艺仍在不断地发展与创新中。 近几年来，上海交通大学潘健生院士等人通过实验研究表明，采用工业纯铁在600～700℃之间进行气体渗氮，可在接近试样表面形成一定厚度的奥氏体层，其氮含量在1.6％～2.8wt％之间变化，其中高氮奥氏体层的高氮区淬火到室温可以保持奥氏体状态。随后在中温转变范围内等温停留，高氮奥氏体发生分解，其硬度高达1000HV甚至更高。由于这种工艺具有设备简单、操作方便、温度低、变形小等优点，渗层厚度也远远大于一般的PVD、CVD技术获得的涂层，并且由于这种渗层与基体之间的浓度是连续过渡的，也即不存在渗层与基体之间由于浓度和组织结构的突然变化而存在结合力不良的问题，而且可能采用普通的钢铁材料将能达到如此效果，因此这种工艺技术有望作为一种具有广泛应用前景的洁净化学热处理方法。 为了探索这项研究的适应性和实用性，本文主要采用工业上广为应用的低碳结构钢和低碳合金结构钢作为实验材料，研究这些钢在同样工艺条件下是否具有类似的效果。本文分别对渗氮工艺、中温回火工艺和渗层的耐磨性与耐腐蚀性等方面进行了一系列的实验研究，获得如下主要结论： (1)气氛氮势随着氨分解率的降低而升高，但在氨分解率为84～88％时变化不大，此时均能在材料表面形成化合物层和奥氏体层； (2)材料的原始组织对渗氮速度有一定的影响，组织中相界面密度越高，渗氮速度越快； (3)不同材料的渗层增厚动力学方程可用式L<'n>=Kτ描述； (4)随着材料本身碳含量的增加，渗氮速度呈先增后降的变化趋势，而铬和钛等合金元素的存在均降低渗氮速度； (5)20Cr钢渗氮后化合物层为ε+γ'两相组织，以γ'相为主，在中温回火过程中ε相发生分解； (6)淬火奥氏体层中高氮区为含氮奥氏体，而低氮区还含有小量马氏体，整个奥氏体层在中温回火过程遵循相关的动力学规律； (7)奥氏层低氮区在中温转变过程中出现针状组织，初步认为是针状下贝氏体，可用数学模型对其存在规律进行定性分析； (8)化合物层内侧和奥氏体层外侧的硬度变化与回火时间之间存在一定的规律； (9)未完全回火的化合物层和奥氏体层存在自然时效效应； (10)渗层中氮浓度呈外高内低分布，在层与层之间出现氮浓度突变，而碳浓度分布则与氮浓度分布相反； (11)经合适的渗氮和中温回火后，材料的耐磨性有显著的提高； (12)材料经渗氮及进一步的回火后在5％H<,2>SO<,4>水溶液中的腐蚀电位都没太大变化，但腐蚀速度较快。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2关于奥氏体氮碳共渗和奥氏体渗氮的含义

1.3渗氮层的组织特点和形成过程

1.3.1渗氮层的组织组成相

1.3.2渗氮层的形成过程

1.4渗氮动力学

1.4.1渗层相界面移动速度方程

1.4.2影响相界面迁移速度的主要因素

1.5渗氮热力学

1.6氮原子对马氏体点的影响

1.7奥氏体氮碳共渗和渗氮后中温回火转变的研究现状

1.7.1高氮奥氏体分解动力学特点

1.7.2含氮均匀高氮奥氏体分解产物的组织形貌

1.7.3高氮奥氏体的中温分解机制

1.7.4奥氏体氮碳共渗的化合物层的组织和性能

1.8本课题的研究意义和主要内容

1.8.1本课题研究意义和研究目标

1.8.2本文的主要研究内容

参考文献

第二章主要实验设备及其原理和方法

2.1实验材料

2.2渗氮及回火设备

2.2.1 25KW井式渗氮炉

2.2.2氮势的测定及其原理

2.2.3盐浴回火炉

2.3渗层组织与性能的表征方法及其设备

2.3.1金相试样的制备

2.3.2渗层硬度的测量

2.3.3组织的扫描电子显微镜(SEM)观察

2.3.4微区成分分布的电子探针(EPMA)测试

2.3.5表面相结构的XRD测试

2.3.6耐磨性测试

2.3.7耐蚀性测试

参考文献

第三章渗氮工艺的研究

3.1渗氮前的准备

3.1.1渗氮试样的制备

3.1.2预处理工艺

3.1.3渗氮前试样的表面处理

3.1.4渗氮过程和操作

3.2渗氮温度的确定

3.3氨分解率对渗层组织结构的影响

3.3.1 γ'相和ε相临界氨分解率的确定

3.3.2不同氨分解率渗氮后的组织结构分析

3.4预处理工艺对渗氮厚度的影响

3.5渗氮时间与渗层厚度关系的确定

3.6化学成分对渗层厚度的影响

3.6.1碳元素的影响

3.6.2其他合金元素的影响

3.7本章小结

参考文献

第四章中温回火转变研究

4.1化合物层回火前后的相结构分析

4.2奥氏体层回火前后的相结构分析

4.2.1 20钢奥氏体层回火前后的组织分析

4.2.2 20Cr钢奥氏体层回火前后的组织分析

4.3含氮奥氏体层的分解动力学特点分析

4.4关于奥氏体层低氮区“针状贝氏体”的进一步讨论

4.5回火温度和回火时间对渗层硬度的影响

4.6渗层回火后的自然时效效应

4.7渗层回火前后的N/C浓度分布

4.8本章小结

参考文献

第五章渗层的性能分析

5.1耐磨性分析

5.1.1 20Cr钢

5.1.2 20CrMo钢

5.1.3 20CrMnTi钢

5.2耐腐蚀性分析

5.3本章小结

参考文献

结论与建议

特色与创新

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

评定意见