65Mn钢表硬心韧处理工艺及其组织和性能的研究

摘要

65Mn钢具有良好的淬透性、强韧性和较高的硬度及耐磨性等特点，除作为弹性元件的主要用材外，还被广泛应用于农业机械、矿山机械、石油机械等与土壤或岩石接触的耐磨部件上，这些产品在使用过程中不但表面需要耐磨，而且由于承受较大的冲击载荷对整体的抗冲击性能要求也很高，本文拟通过使其获得表硬心韧的组织结构，进而实现其兼顾表面耐磨和整体抗冲的性能要求。研究中，首先，以化学热处理中渗铬和渗硼为主要研究对象，对比它们实现65Mn钢表面耐磨改性的适应性;然后，以适应性好的化学热处理方法为基础，分别探求先进行表面耐磨处理再进行整体强韧化处理和先进行整体强韧化处理再进行表面耐磨处理两种途径实现65Mn钢表硬心韧的可行性，并系统考察其工艺、组织和耐磨及耐蚀性能;进而，获得具有良好工程适应性的适合于65Mn钢的表硬心韧处理的技术，促进这一具有良好综合性能的优质结构钢在工程领域中得到更加广泛的应用。
　　 本文完成的主要工作和取得的成果如下:
　　 (1)较为系统地研究了经不同时间、在不同温度下渗铬后渗铬层的厚度和表面硬度，在此基础上确定65Mn钢表面最优的渗铬工艺，并考察了采用优选工艺所制备渗铬试样的摩擦磨损性能和在盐酸溶液及含肥土壤中的耐腐蚀性能。结果表明:在950℃下保温9h对65Mn进行渗铬处理最为适宜;在本文研究实验条件下，经渗铬处理后其磨损率仅为低温回火态的0.526，其无论是在盐酸溶液中还是在含肥土壤介质中的耐腐蚀性能均得到显著改善。
　　 (2)针对65Mn钢表面渗铬处理后获得的渗铬层较薄、试样表面难清理等不足，提出了对其进行渗硼处理。结果表明:65Mn钢的最佳渗硼工艺为850℃×6h，渗硼态主要以粘结磨损为主，其相对磨损率仅为0.316（以低温回火态的磨损情况为1），其耐磨性要好于渗铬态;渗硼态无论是在呈强酸特征的盐酸溶液还是在呈弱酸特征的含肥土壤中，其耐蚀性不仅高于低温回火态也好于渗铬态。此外，研究发现对65Mn钢渗硼处理后进行热处理会引起渗硼层氧化减薄，故对65Mn钢渗硼态进行热处理时需采用必要措施以防止渗硼层减薄现象的发生。
　　 (3)采用淬火+中温回火和等温淬火两种热处理工艺对渗硼后的65Mn钢进行强韧化处理后，其表面保持了渗硼层的高硬度（～1400HV0.1），心部为强韧性较原有珠光体更好的回火托氏体或下贝氏体组织，可以较好地兼顾65Mn钢表面耐磨和整体抗冲的性能要求。渗硼层虽硬度、耐磨性相对于强韧热处理前有所下降，但其脆性较强韧热处理前降低了1～2个等级;同时，强韧热处理后渗硼层的耐腐蚀性得到明显改善，尤其是等温淬火在强酸溶液中表示出很好的抗腐蚀能力。对比两种强韧热处理工艺，等温淬火处理在降低热处理应力、保持表面硬度及耐磨性、提高心部强韧性和改善耐腐蚀性等方面均好于淬火+中温回火处理。
　　 (4)在渗硼处理中引入稀土，揭示稀土尤其是纳米稀土对渗硼处理的作用机制，以淬火+中温回火65Mn钢为基础，在优选渗硼剂基础组分的基础上，较为系统地考察了不同粒径、不同含量的氧化铈在不同时间下所能获得的渗硼层厚度，进而获得稀土硼共渗较优的稀土添加组分及渗硼工艺参数。同时，研究了优化条件下稀土硼共渗后65Mn钢的组织和性能。结果表明:稀土硼共渗使65Mn钢耐磨性和耐蚀性显著提高，其相对体积磨损率仅为0.318，同时其在盐酸溶液中腐蚀7天后试样表面未见明显腐蚀痕迹，这与其表面形成一层致密的由Fe、O、C组成的防护层有关，其中粒径为20nm、含量为4％质量分数的氧化铈具有最优的催渗效果。
　　 综上所述，渗硼处理较渗铬处理对于实现提高65Mn钢的表硬心韧性能具有更好的适应性;同时，渗硼处理后等温淬火较淬火+中温回火而言，对渗硼后65Mn钢的强韧化处理效果要更为理想;此外，低温稀土硼共渗尽管渗硼层厚度薄，但其表现出了很好的耐磨性和耐蚀性;其中纳米氧化铈具有最优的催渗效果。可见，本文提出的65Mn钢表硬心韧的复合处理技术，具有很好的工程适应性和应用前景。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 表硬心韧处理技术的研究现状及发展趋势

1．2．1 钢的表面耐磨处理技术

1．2．2 65Mn钢强韧化技术

1．3 本文的研究目的及研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 本章小结

第二章 65Mn表面渗铬工艺及其组织性能研究

2．1 实验材料及方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法及设备

2．2 实验结果与讨论

2．2．1 渗铬工艺参数优化

2．2．2 摩擦磨损性能

2．2．3 耐腐蚀性能

2．3 本章小结

第三章 65Mn表面渗硼工艺及其组织性能研究

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法及设备

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 渗硼工艺参数优化

3．2．2 摩擦磨损性能

3．2．3 耐腐蚀性能

3．2．4 热处理对渗硼处理的影响

3．3 本章小结

第四章 65Mn钢表面渗硼后强韧热处理工艺研究

4．1 实验材料及方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验方法及设备

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 组织形貌

4．2．2 相组成

4．2．3 渗硼层的脆性

4．2．4 硬度及其沿横切面的分布

4．2．5 耐磨性

4．2．6 耐腐蚀性

4．3 本章小结

第五章 65Mn钢表面低温稀土硼共渗工艺研究

5．1 实验材料及方法

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 低温渗硼剂的组分选择

5．2．2 低温稀土硼共渗工艺

5．2．3 耐磨性

5．2．4 耐腐蚀性

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文的创新点

6．3 后继研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果(论文、专利、参研项目)