轴承钢等离子体基钽氮碳多元离子注入层组织及性能研究

摘要

疲劳和磨损是精密轴承使用过程中的主要失效形式，研究表明对轴承进行等离子体基离子注入处理是一种有效的表面强化手段，它可以在不改变轴承尺寸精度和滚道表面光洁度的前提下，极大地提高轴承耐磨性和疲劳性能。为了解决等离子体基离子注入层浅的缺点和进一步提其对轴承的表面强化效果，本文采用等离子体基离子注入与沉积和升温注渗技术对GCr15和M50轴承钢进行表面强化处理，并且对改性层的组织结构和性能进行了研究。
　　首先，研究了等离子体基Ta，N和C离子注入沉积GCr15钢表面强化层的组织结构和性能。研究表明，GCr15在经过Ta离子注入后表面有Ta膜沉积，经过后续N或C离子注入后，GCr15钢表面生成了晶粒尺寸为几十至一百纳米之间氮化钽和碳化钽膜。X-射线衍射(XRD)结果表明，钽化物的晶粒尺寸随注入电压的增加而增加，数量随注入剂量增加而增加。Raman光谱结果表明，C离子注入后改性层表面生成了DLC膜。经过Ta和N离子注入沉积的GCr15钢的表面硬度由8.5GPa增加到17.8GPa，干摩擦时磨损率下降88％；而经过Ta和C离子注入后改性层硬度为16.5GPa，由于表面形成了一层DLC膜，改性层的干摩擦系数大幅下降，磨损率下降40%。
　　然后，研究了氮离子升温注渗M50钢的成分和结构的演化规律及其对注渗层性能影响机制。X-射线光电子谱(XPS)结果表明，经过氮离子升温注渗处理表面存在一层氧含量很高的氧化层。结合质谱仪分析可知，注渗层中氧来源于气壁吸附的水分子的脱附。研究表明，表面氧化层对注渗层成分结构和性能有重要影响。在注渗层中，合金元素Cr和Mo以氧化态存在，没有检测到C和V元素，Fe元素是氮化物和氧化物混合态。表面氧浓度对注渗层氮含量有很大影响：表面氧浓度越高，氮浓度越低。XRD结果表明，注渗层的晶相为Fe3N和Fe3O4。采用透射电镜(TEM)观察注渗层微观组织结构，发现马氏体孪晶发生细化，出现了位错、非晶和纳米晶等亚结构。
　　M50钢经过N等离子体基升温离子注渗处理后改性层的硬度普遍有所提高，表面硬度由原来的12.5GPa升高至17.5GPa，改性层中O含量对表面硬度的影响很大，O浓度较高的试样硬度较低。在干摩擦状态，与原始试样相比，经过处理的M50钢试样表面的摩擦系数变化不大，磨损率下降了61%，O含量较高的试样耐磨性都有不同程度的下降。经过处理后试样表面的耐蚀性有不同程度的提高，O与基体中Fe元素形成的Fe3O4，结构比较致密，对耐蚀性也起到了一定的作用。
　　M50钢经过N、C升温离子注渗处理后改性层氧化现象得到明显改善，O含量一般在5%以下，随着CH4通入量的提高，改性层中O含量下降，当N2、CH4通入比例达到30：3时，表面氧化现象基本消失。改性层氧化现象降低的原因是CH4在电离过程中形成了多种原子团，增加了表面溅射效应，使M50钢表面的氧化层被除去。与N离子注渗过程相比较，N、C等离子体基离子注渗后改性层中的C含量明显提高，随着CH4通入量和注入温度的提高，C浓度升高；N浓度随着注入温度的升高，浓度略呈下降趋势；高电流密度下改性层中N、C浓度明显提高。改性层中的原始奥氏体晶粒尺寸变化不大，马氏体晶粒细化，呈碎裂状和柳絮状，出现了大量的缺陷，表面存在非晶态组织，改性层含有的CrN和碳化物等化合物相。
　　M50钢经过N、C等离子体基升温离子注渗处理后改性层的硬度由原来的12.5GPa升高至22GPa，随着CH4通入量的增加，试样表面硬度升高，随着注入温度的升高，表面硬度先升高后降低，注入电流密度对改性层硬度影响不大。在干摩擦状态下，与原始试样相比，经过处理的M50钢试样磨损率下降73.5%，随着CH4通入量的增加，试样磨损率逐渐降低。在润滑状态下，经过处理的M50钢试样磨损率下降73.9%，随着注入温度的升高，磨损量先降低后升高。M50钢表面经过N、C等离子体基升温离子注渗处理后表面的耐蚀性有不同程度的提高，在盐雾试验中，和原始试样相比，处理后试样失重率下降了58.3%。

目录

轴承钢等离子体基钽氮碳多元离子注入层组织及性能研究

MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF SURFACE LAYERS OF BEARING STEEL IMPLANTED WITH TANTALUM，NITROGEN AND CARBON BY PBII

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2等离子体基离子注入技术的研究现状及存在的问题

1.3等离子体基离子注入与沉积（PBIID）的研究

1.4等离子体基升温离子注渗的研究

1.5本课题的研究内容

第2章 试验方案与研究方法

2.1 试样材料的选择与制备

2.2 试验设备

2.3 试验方案及设计

2.4 分析方法及其原理简介

第3章 GCr15钢Ta/N和Ta/C离子注入层结构及性能

3.1 引言

3.2 Ta、N等离子体基离子注入后的结构表征及性能

3.3 Ta、C等离子体基离子注入后的结构表征及性能

3.4 本章小结

第4章 M50钢升温离子注氮层的组织结构及性能

4.1氮离子升温注渗层中元素的分布及化合价态研究

4.2 改性层中的相结构

4.3 N离子注渗后改性层的微观组织

4.4 改性层的硬度

4.5 改性层的摩擦磨损性能

4.6 改性层的耐蚀性

4.7 本章小结

第5章 M50钢氮、碳升温离子注渗层的组织及性能

5.1 合金元素在改性层中的分布

5.2 氮、碳注渗改性层中注入元素的分布及化学价态

5.3 氮、碳等离子体基升温离子注渗层中的相结构演化规律

5.4 氮、碳升温离子注渗后改性层的微观组织

5.5 氮、碳离子升温注渗后改性层的性能

5.6 本章小结

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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