气体氧—氮碳复合处理工艺及渗层组织与性能研究

摘要

国内外对盐浴QPQ技术的研究已有四十余年的历史，该工艺比较成熟，并得到了广泛应用。但其生产过程中产生的废气和废渣对人体健康和环境造成了一定危害，使其发展受到很大限制，需要开发一种新型的表面处理技术以解决盐浴 QPQ技术产生的污染问题。气体氧—氮碳复合处理作为一种新型的表面改性技术，处理过程中对环境的污染较小，具有较好的发展前景。
　　气体氧—氮碳复合处理是气体氮碳共渗和气体后氧化的复合处理技术。工件氮碳共渗后再进行氧化处理，在高硬度氮碳共渗层上形成的一层氧化物(Fe3O4)薄层，该薄层具有低的摩擦系数和高的化学稳定性，改善了氮碳共渗件表面的电化学性能，显著提高了氮碳共渗层的抗腐蚀性能和抗磨损性能，可被应用于工程机械、医疗器械和汽车工业等领域。
　　本课题系统研究了气体氧—氮碳复合处理技术。开发了高效、环保的助氧化剂，实现零件高综合性能的后氧化处理；研究了气体氧—氮碳复合工艺，探讨了不同氧化时间和氧化温度对气体氧—氮碳复合处理后试样的组织与强化层分布的影响。通过对试样进行外观观察、金相分析和显微硬度测试得出，气体氧—氮碳复合处理后的试样外观表现为灰黑色。气体氧—氮碳复合处理层由表面氧化层、化合物层和扩散层三个区域组成。氧化层在金相显微下呈黑色，分辨较为困难，由图中金相和外观颜色可初步推断，随着氧化温度的提高，氧化层的厚度逐渐增大。经过气体氮碳共渗处理的40Cr钢和H13钢化合物层厚度分别为6μm~10μm和10μm~12μm。化合物层厚度随着氧化时间的延长和氧化温度的升高逐渐变薄。随着后氧化温度的升高，扩散层的厚度依次增大，后氧化时间对扩散层深度的影响较小；此外，气体氮碳共渗处理的40Cr钢扩散层要明显比气体氮碳共渗处理的H13钢厚。气体氧—氮碳复合处理后的40Cr钢和 H13钢表层硬度总体在500HV~600HV之间变化，约为基体硬度的3~4倍，且在气体氧—氮碳复合渗层截面上，硬度表现出梯度变化，由表到基体心部，平滑过渡，硬度梯度呈现出先增大后减小的变化趋势，强化的方式为相变强化和固溶强化的共同作用。
　　本课题还研究了气体氧—氮碳复合渗层的腐蚀性能。对试样进行 Tafel极化曲线测定、浸泡试验和盐雾试验。测定 Tafel极化曲线发现气体氧—氮碳复合处理的40Cr钢和H13钢自腐蚀电位明显高于气体氮碳共渗层，随着后氧化时间的延长和后氧化温度的升高，自腐蚀电位呈现先增大后减小的特点，经气体氮碳共渗450℃、1h后氧化处理的试样发生腐蚀的倾向最小；浸泡试验结果表明，气体氧—氮碳复合处理40Cr和 H13钢试样的腐蚀速率随着后氧化时间的延长先减小后增大，而后氧化温度升高则腐蚀速率逐渐增大，且在400℃、1h后氧化处理后的试样对应的腐蚀速率最低；盐雾试验结果，表明气体氧—氮碳复合处理40Cr和 H13钢随着后氧化时间的延长盐雾试验试样出现锈点的时间先增大后减小；随着后氧化温度的升高盐雾试验试样出现锈点的时间逐渐缩短，在400℃、1h后氧化处理后的试样出现盐雾锈点的时间最长达到18h，耐蚀性与盐浴QPQ处理后的试样相当。此外，开发的气体氧—氮碳复合处理技术已获得生产应用，并提供给生产企业用于产品生产，产生了一定的经济效益。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 课题的研究内容

1.3 技术路线

第二章 试验材料、试验和检测方法

2.1 试验材料

2.2 气体氧—氮碳复合处理系统

2.3 试样检测设备及方法

第三章 气体后氧化处理中助氧化剂的研究

3.1 气体氧—氮碳复合处理后氧化工艺中助氧化剂的选择

3.2 气体后氧化处理外观分析

3.3 不同助氧化剂氧化处理后试样的耐蚀性分析

3.4 气体后氧化处理渗层金相分析

3.5 气体后氧化渗层表面硬度及截面硬度变化规律分析

3.6 后氧化层极化曲线规律分析

3.7 本章小结

第四章 气体氧—氮碳复合处理工艺研究

4.1 气体氧—氮碳复合处理工艺参数优化

4.2 气体氧—氮碳复合处理外观分析

4.3 气体氧—氮碳复合处理金相分析

4.4 气体氧—氮碳复合处理渗层硬度变化规律分析

4.5 气体氧—氮碳复合处理技术的应用

4.6 本章小结

第五章 气体氧—氮碳复合处理层耐腐蚀性能研究

5.1 Tafel极化曲线分析

5.2 浸泡试验分析

5.3 盐雾试验分析

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 论文的主要成果和结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 今后工作的展望

参考文献

致谢

附录：硕士研究生阶段的学术活动和发表论文情况