氮化铁材料的制备和金刚石超精密切削研究

摘要

随着科学技术的高速发展，对各种高精度光学器件、高精度平面、曲面及复杂形状的零件加工需求日益迫切，金刚石超精密切削技术以其良好的可控性、优秀的切削效率等特点已经成为目前加工精密机械以及光学器件最重要的方法。钢铁材料因其成本低廉，功能多样化是至今用途最为广泛的工程材料，因此备受超精密加工领域的重视，但是金刚石超精密切削钢铁材料时会产生严重的刀具磨损，所以通常认为钢铁材料不具有金刚石可切削性，这严重制约了钢铁材料在精密超精密加工领域的应用。如果能够有效解决金刚石切削钢铁材料时产生严重磨损这一难题，必将带来巨大的经济和社会效益。本文拟采用渗氮方法改善钢铁材料的金刚石切削性能，主要对纯铁进行气体渗氮及热处理工艺处理，使纯铁试样形成一定厚度的铁氮化合物层以及不同氮浓度组成的扩散层，然后使用金刚石车床切削试样。利用X-射线衍射、金相显微镜、扫描电镜、白光干涉仪、表面轮廓仪与超景深三维显微镜等分析手段进行结构表征与切削性能检测，主要工作及结果如下:
　　(1)通过对纯铁薄片（约0.4mm厚）进行简单累加循环渗氮、高低温循环渗氮以及退火循环渗氮，发现能够不同程度的增加渗氮化合物层的厚度，对样品化合物层切削结果显示简单累加循环渗氮样品能够形成致密度较好的氮化合物层，切削后能够得到优秀的表面切削质量(Ra在6nm以下)且金刚石刀具的磨损情况也显著改善，说明以ε-Fe2-3N为主要成分的化合物层具有金刚石可切削性。
　　(2)通过对纯铁厚片（约1.8mm厚）分步进行渗氮、退火以及盐浴淬火的热处理，从而形成一定厚度的氮化合物层以及不同深度位置不同氮含量浓度的扩散层，对样品多个位置进行切削实验表明渗氮样品低氮含量扩散层位置的切削性能最好(Ra约6nm左右)，金刚石刀具磨损较轻，且此部分厚度约100μm左右，适于金刚石超精密切削。
　　(3)通过计算绘制出纯铁在550℃气体渗氮3h后渗氮样品氮浓度与扩散层深度之间的关系曲线，估算出切削性能较好部分，即渗氮试样低氮含量扩散层位置氮浓度范围为0.285-0.323at.％。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 氮化铁材料简介

1．2 氮化铁材料的制备方法

1．2．1 气体渗氮法

1．2．2 离子渗氮法

1．2．3 液体渗氮法

1．2．4 分子束外延法

1．2．5 离子注入法

1．2．6 其它方法

1．3 钢铁材料的金刚石超精密切削加工

1．3．1 金刚石超精密切削技术

1．3．2 金刚石超精密切削钢铁材料的研究现状

1．3．3 氮化铁材料金刚石超精密切削的研究

1．4 课题的主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2．1 实验材料

2．2 渗氮装置

2．3 超精密车床与金刚石刀具

2．4 分析与测试方法

2．4．1 X射线衍射(XRD)

2．4．2 金相显微镜

2．4．3 扫描电镜(SEM)

2．4．4 显微硬度试验

2．4．5 金刚石刀具磨损测试

2．4．6 切削试样表面形貌与粗糙度测试

第3章 穿透渗氮试样的制备和金刚石超精密切削研究

3．1 纯铁渗氮化合物层简介

3．1．1 纯铁渗氮化合物层的组织与应用

3．1．2 影响纯铁渗氮化合物层的因素

3．2 穿透渗氮试样的制备与组织性能分析

3．2．1 简单累加循环渗氮

3．2．2 高低温循环渗氦

3．2．3 中间退火循环渗氮

3．2．4 穿透渗氮试样化合物层的厚度与硬度

3．2．5 纯铁渗氮化合物层的生长

3．3 穿透渗氮试样化合物层的金刚石超精密切削实验

3．3．1 简单累加循环渗氮试样化合物层的金刚石切削

3．3．2 高低温循环渗氮试样化合物层的金刚石切削

3．3．3 中间退火循环渗氮试样化合物层的金刚石切削

3．3．4 穿透渗氮试样化合物层金刚石切削性能综合分析

3．4 本章小结

第4章 厚片状纯铁渗氮、热处理和金刚石超精密切削研究

4．1 实验流程

4．2 厚片状纯铁试样渗氮和切削性能研究

4．2．1 厚片状纯铁渗氮处理

4．2．2 渗氮试样金刚石切削性能

4．3 渗氮试样退火和切削性能研究

4．3．1 渗氮试样退火处理

4．3．2 渗氮试样退火后金刚石切削性能

4．4 退火试样淬火和切削性能研究

4．4．1 退火试样淬火处理

4．4．2 退火试样淬火后金刚石切削性能

4．5 金刚石超精密切削结果综合分析

4．6 厚片状纯铁渗氮曲线分析

4．7 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢