38CrMoAl钢氮碳共渗与激光淬火复合改性层的组织与性能

摘要

38CrMoAl钢在工业中具有广泛的应用，研究其表面改性以提高性能具有重要的意义。本文通过热力学计算揭示不同对渗层中的氮化物、固溶体的生成和相互转化的影响，并基于热力学计算的理论指导，探索等离子循环氮碳共渗工艺，为了进一步获得更深的改性层，对经过氮碳共渗处理的试样表面进行激光淬火处理，探索了这两种工艺复合的可行性。分别利用XRD、 SEM、EDS等方法对改性层的相结构、表面、截面和磨痕形貌进行分析；并对改性层硬度、摩擦磨损和电化学性能进行表征。
　　热力学计算结果表明，Fe4N，Fe3N和α′N之间是可以相互转化的。α′N能直接转变成Fe4N和Fe2-3N。Fe4N和Fe3N两相在800K是发生可逆转变。可以通过温度调节Fe4N和Fe3N两相比例，减少Fe3N的含量，抑制白亮层的形成。稀土元素的加入以及降低背景真空度，可以促进Fe3N向Fe4N转变。
　　氮碳共渗结果表明：在循环工艺中，低温高氮条件保温时间越长，高温低氮条件保温时间越短，渗层表面含有的氮化物越多，共渗层表面由Fe2-3N、Fe4N、α′-Fe等相组成。高温高氮长时间条件下容易生成致密的白亮层。相同条件下，保温时间越长，渗层深度越深。
　　复合改性结果表明：激光扫描速度越慢，获得的硬化层深度越深。以600mm/min，1200mm/min，1800mm/min对基体进行激光淬火，获得硬化层的深度分别为722μm，467μm，272μm。相比氮碳共渗层，氮碳共渗与激光淬火复合改性层深度增厚明显，PN-48h激光淬火后改性层厚度从275增加到504μm，增厚83％，在460℃，540℃循环保温8h的共渗层深度248μm增厚到激光淬火后的546μm，增厚120%。复合改性层相比于氮碳共渗层，其表面硬度低，但是硬度梯度更为平缓。并且复合改性层的硬度曲线出现一个硬度为600-700HV0.1的平台。基体激光淬火后，表面一部分铁氧化形成Fe2O3、Fe3O4和α′-Fe。复合改性层表面相主要是Fe2O3、Fe3O4、α′-Fe和少量的Fe4N，激光淬火处理后渗层表面氮化物发生分解，表面形成氧化物。
　　氮碳共渗与激光复合改性层表面的耐磨性比氮碳共渗层有显著提升，相比于共渗层，复合改性层的稳定摩擦系数低，磨损率也低。复合改性层表面的磨损机制是磨粒磨损和氧化磨损，磨痕表面有犁沟和氧化皮剥落现象，氧含量较高；氮碳共渗层表面磨损机制是磨粒磨损，磨痕表面有明显的犁沟，而且磨痕表面的氧含量较低。电化学极化曲线测试结果显示，复合改性层比氮碳共渗层表面的平衡腐蚀电位要高，腐蚀电流密度要低。PN-72h的氮碳共渗层和复合改性层的腐蚀平衡电位分别为，-0.717V，-0.538V；电流密度分别为1.26×10-3 A·cm-2和3.614×10-4 A·cm-2。而在空气中曝露后的腐蚀表面形貌显示，复合改性层表面发生了很严重的全面腐蚀，产物已经掩盖住了原来的表面，而共渗层表面腐蚀情况较轻。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及内容

第2章 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验工艺方案

2.4 表面改性层组织结构分析

2.5 表面改性层性能测试

第3章 氮碳共渗中的热力学过程

3.1双亚点阵模型

3.2化合物和固溶体之间存在的相互转化关系

3.3 热力学结果分析

3.4 本章小结

第4章 循环氮碳共渗改性层的组织研究

4.1 温度对共渗层组织的影响

4.2 循环阶段L,H相对保温时间和气氛对共渗层的影响

4.3 循环周期对共渗层组织的影响

4.4 循环氮碳共渗表面的相结构和元素分布

4.5 本章小结

第5章 氮碳共渗与激光复合改性层的组织研究

5.1 基体激光淬火改性层的组织

5.2 氮碳共渗层和氮碳共渗与激光淬火复合改性层的组织

5.3 不同氮碳共渗时间与激光复合改性后的组织

5.4 氮碳共渗和氮碳共渗与激光淬火的相结构和元素分布

5.5 本章小结

第6章 氮碳共渗层和复合改性层的性能

6.1 氮碳共渗层和复合改性层的摩擦磨损性能

6.2 氮碳共渗和复合改性层的腐蚀性能分析

6.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢