中碳低合金钢渗氮与激光淬火复合改性层组织与性能

摘要

中碳低合金钢深层表面改性是表面工程领域亟待解决的问题之一。提高化学热处理温度或是延长处理时间可以获得较厚的渗层但易导致组织粗化，力学性能下降。本文将低温等离子体渗氮及稀土氮碳共渗技术应用于38CrMoAl钢及30CrMnSiA钢的表面改性，研究中碳低合金钢渗层组织结构与力学性能，揭示低温渗氮层强韧化机制及稀土作用机制；并结合激光淬火形成了一种在中碳低合金钢表面获得硬度与厚度倍增的复合改性层的方法，揭示复合改性深层硬化机制。
　　低温离子渗氮温度控制在460～500℃。渗氮温度高于500℃时，渗层组织中有大量的氮化物沿晶界析出，形成脉状组织；低于460℃时，组织较好，但渗层较薄。460℃渗氮表面无明显化合物层，在距表面~30μm内形成耐蚀白层，衍射峰偏移与宽化明显。XRD及TEM(HRTEM)观察结果表明在距离渗氮表面30μm的区域内，晶粒尺寸为十至几十纳米，SAED结果标定纳米晶粒为N膨胀马氏体α'N。
　　超低氮氢比渗氮研究发现在温度高达590℃，氮氢比低至0.05:0.4时，可在38CrMoAl钢表面形成单相α'N层。通过 TEM观察，α'N相的亚结构为高密度位错。与γ'-Fe4N与ε-Fe2-3N相相比，高温获得的α'N相的硬度显著提高，杨氏模量略有提升。α'N相的H/E比值相比于γ'-Fe4N与ε-Fe2-3N相分别提高了25.5％及28%；而 H3/E2比值则分别提高了141.67%及132%。相比于高温α'N的数据，低温α'N的H/E比值提高了4.7%，H3/E2比值提高了25.9%。组织超细化使低温α'N层具有更高的强韧性。
　　本文对渗氮表面化合物层中γ'-Fe4N相的择优取向的产生机制及其对磨损性能的影响进行了研究。在低温低氮渗氮表面可以获得(200)γ'择优取向，并且随渗氮时间延长择优取向增强。经过72h长时间循环渗氮可在表面形成(220)γ'择优取向。通过实验及第一性原理计算的方法获得如下四组取向关系：{(0001)ε//(101)α'，[110]ε//[111]α'}；{(111)γ'//(0001)ε，[011]γ'//[1210]ε}；{(200)γ'//(110)α'，[011]γ'//[111]α'}以及{(1103)ε//(220)γ'，[0100]ε//[110]γ'}。γ'-Fe4N相的择优取向与其析出路径有关：α'N→γ'以及α'N→ε→γ'。(200)γ'择优取向的试样摩擦系数与磨损率低于(220)γ'择优试样；(111)γ'择优试样由于滑移系平行于滑动平面，摩擦系数低但磨损率较高。因此，(200)γ'择优取向有助于提高试样的耐磨性能。
　　低温稀土氮碳共渗研究表明稀土元素可以有效提高氮碳共渗效率。添加稀土元素后，共渗层厚度提升了19.71～44.23%。La原子非常活泼，溅射沉积于试样表面与乙醇及背底真空中的O在试样表面反应生成 LaFeO3。LaFeO3具有非常高的催化氧化活性，生成的高氧化性物质在氮碳共渗过程中促进表面致密氮化物层的分解，为 N原子的扩散提供了通道。La原子可以渗入到试样表层中5μm深度内。这一厚度对应于表面上γ'-(Fe,La)4N形成的位置。由于La原子较大，进入到γ'-Fe4N晶格中造成晶格膨胀，提高了N的固溶度，从而抑制了致密陶瓷相ε-Fe2-3N(C)的形成。因此，N的主要扩散通道，如表面晶界、缺陷等未被阻塞，N的扩散速度较快。从 TEM结果可知，La可扩散至距表面25μm的深度，并且稀土有细化组织的作用。
　　通过对38CrMoAl及30CrMnSi两种中碳低合金钢离子渗氮或氮碳共渗与激光淬火复合处理的研究发现，发现复合工艺改性层的硬度及厚度相比于单一的PN/PNC处理或是激光淬火处理显著提高。渗氮/氮碳共渗试样表面相组成为γ'-Fe4N和ε-Fe2-3N(C)，经激光淬火处理后表面相组成为淬火马氏体(α'-Fe)，Fe的氧化物(Fe3O4，Fe2O3，FeO)以及少量的γ'-Fe4N和ε-Fe2-3N(C)和低氮化合物FeN0.076(残余奥氏体)。Fe3O4的润滑作用有效降低了摩擦系数与磨损率，一定量的残余奥氏体提高了试样表面的冲击韧性，从而使复合处理表面耐磨性显著提高。
　　渗氮/氮碳共渗与激光淬火复合改性层厚度倍增机制：渗层中的N元素沿渗氮方向呈现梯度分布，极少量的N元素即能导致 Fe-C-N三元共析点从高于727℃降低至565℃。因此，在相同的温度梯度下，表层中能够发生马氏体相变强化的区域增加。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2渗氮与氮碳共渗进展

1.3激光表面改性进展

1.4本文的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验材料及设备

2.2实验工艺方案

2.3分析测试方法

第3章 中碳低合金钢硬化层组织与工艺设计

3.1影响齿轮力学性能的因素

3.2硬化层厚度和组织

3.3中碳低合金钢齿轮表层硬化工艺选择

3.4本章小结

第4章 等离子体渗氮与激光淬火复合改性层组织结构

4.1温度对渗氮层组织结构影响

4.2不同氮氢比条件下渗氮层的组织结构

4.3渗氮过程组织结构演变规律

4.4膨胀马氏体表征与渗氮层组织超细化

4.5稀土氮碳共渗过程组织结构演变规律

4.6渗氮与激光淬火复合改性层组织结构

4.7不同处理工艺心部组织及硬度

4.8本章小结

第5章 等离子体渗氮与激光淬火复合改性层性能与

5.1高温低氮氢比渗氮层性能

5.2低温渗氮层性能与强韧化机制

5.3 Fe4N相的择优取向对渗氮层力学性能影响

5.4渗氮与激光淬火复合改性层力学性能及深层硬化机制

5.5不同改性工艺下表层硬化效果与微观机制比较

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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