40Cr表面双层辉光等离子表面合金化制备梯度涂层工艺及组织性能研究

摘要

齿轮材料在多种应力载荷下工作，受力情况比较复杂，要求具有比较全面的性能。齿面疲劳失效是齿轮的主要失效形式，为了解决齿面的疲劳失效，需要齿轮表面具有高硬度。在航空航天、航海和石油化工等复杂环境中，除需要高硬度外，还需要具有良好的耐腐蚀性能。众所周知，Cr和Mo等具有高硬度和优异的耐腐蚀性能，在齿轮表面制备这两种元素的合金涂层可以有效地提高齿轮表面硬度和耐腐蚀性能。双层辉光等离子表面合金化（DGPSA）技术是一门新颖的表面强化技术，不仅可以制备非金属涂层，而且还可以制备各种合金层，从而扩宽了表面强化技术的应用领域。相对于其他表面强化技术，如热喷涂、激光熔覆、化学气相沉积和磁控溅射等，DGPSA可以制备渗层成分分布合理、界面组织稳定、高硬度和耐腐蚀性能良好的梯度渗层。本文以40Cr齿轮钢作为初始材料，采用DGPSA分别在40Cr钢表面制备了梯度Cr层和梯度CrMo层，开展了DGPSA工艺参数对渗层组织的影响；使用背散射电子成像结合能谱仪对渗层和基体的组织进行表征；同时，对渗层的硬度和耐腐蚀性能也进行了研究。论文主要工作如下：　　（1）分析和对比了DGPSA工艺参数（渗铬工艺时间、源极电压、阴极电压、氮气气压和极间距）对渗Cr层组织的影响。　　（2）采用DGPSA在930℃下进行3h、6h和10h的渗Cr处理和在920℃下进行6h的渗CrMo处理。采用X射线衍射（XRD）分析渗Cr和渗CrMo的物相组成。另外，研究了渗Cr层和CrMo层的硬度以及在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为。　　（3）对6小时和10小时的扩渗Cr试样和6小时扩渗CrMo试样进行退火处理以及对10小时扩渗Cr试样和6小时扩渗CrMo试样调质处理，研究退火和调质处理对渗层组织和性能的影响，测量了退火和调质试样的硬度和极化曲线。　　（4）采用场发射电子显微镜分别对原始态、退火态和调质态试样进行表征，阐述渗层组织热处理前后的组织演变和形成机理。　　通过对实验结果的进一步分析，得到以下结论：　　（1）DGPSA工艺参数（渗Cr工艺时间、源极电压、阴极电压、氮气气压和极间距）不仅仅会对渗层的显微组织和物相产生显著影响，而且严重影响渗层厚度和致密程度。　　（2）渗Cr试样是由沉积层，扩散层，影响层和正常基体等四个部分组成。不同之处在于随着渗铬工艺时间的增加，四个部分的相对厚度完全不同。3小时渗Cr，渗层主要由纯Cr、铬碳化物Cr23C6和(Cr,Fe)23C6(Cr22.23Fe0.77C6and Cr21.34Fe1.66C6)铬铁碳化物组成；6小时渗Cr，渗层中形成Cr2N相；10小时渗Cr，涂层中纯Cr的比例增加而碳化铬的比例减少。Cr-Fe金属间化合物（Cr-Fe IMs）层出现在所有的原始态渗Cr试样中，而Cr-Fe固溶体层(Cr-Fe SS)仅在扩渗6小时和10小时试样中形成。　　（3）在扩渗6小时退火试样中观察到彼此平行或成69°角的棒状第二相组织，表明它们与纯Cr基体具有特定的取向关系。另外，Cr-Fe IMS消失而在扩散6小时和10小时试样中形成新的Cr-FeSS层。调质后，10小时渗铬试样的Cr-Fe SS晶粒变小，影响层组织演变成回火索氏体。　　（4）Cr-Fe SS层的硬度较高，其中调质试样的硬度最高，达到1600HV0.2左右。与304不锈钢和40Cr钢相比，渗Cr层在3.5％水溶液中具有更好的耐腐蚀性，尤其是10小时渗Cr的调质试样。　　（5）CrMo试样是由扩散层、影响层和正常基体组成。扩散层分为粗大晶粒组成的柱状晶和Cr、Mo碳化物组成的过渡层。柱状晶粒是由含Cr、Mo的α-Fe固溶体（α-Fe-Cr-Mo SS）组成，组织中有Fe3Mo3N相形成。退火处理后，扩散层组织更为致密，碳化物呈颗粒状分布在α-Fe-Cr-Mo SS中，在过渡层中粒状或者短棒状碳化物分布在α-Fe-Cr-Mo SS上，影响层由铁素体组织组成。调质处理后，在α-Fe-Cr-Mo SS上弥散分布着粒状碳化物和氮化物，过渡层由纳米颗粒组成。　　（6）α-Fe-Cr-Mo SS柱状晶层的显微硬度为350HV0.2左右，中间层的硬度为525HV0.2左右。退火处理使试样的硬度在总体上下降。然而，调质处理后，由于纳米颗粒的形成，导致过渡层硬度增加到575HV0.2左右。相对于40Cr钢和304不锈钢，CrMo试样在3.5%NaCl溶液中具有更好的耐腐蚀性能。相对于扩渗试样，退火态和调质态试样的耐腐蚀性能分别提高了22倍和43倍。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题来源及研究意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 研究意义

1.2 表面强化技术

1.2.1 固体粉末包埋法

1.2.2 盐浴法

1.2.3 表面机械合金化

1.2.4 物理气相沉积

1.2.5双层辉光等离子表面合金化（DGPSA）技术

1.2.6本论文研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验参数

2.2.1 渗Cr工艺参数

2.2.2 渗CrMo工艺参数

2.2.3 样品制备

2.3 实验方法

2.3.1 组织表征

2.3.2 物相分析

2.3.3 硬度测试

2.3.4 极化曲线测试

3 双层辉光离子工艺参数对组织的影响

3.1 前言

3.2 电压的影响

3.3 气压的影响

3.4 温度的影响

3.5 极间距的影响

3.6 本章小结

4热处理对梯度Cr层组织与性能研究的影响

4.1 引言

4.2渗Cr层显微组织分析

4.2.1相组成和元素分布

4.2.2工艺时间对渗Cr层显微组织的影响

4.2.3退火热处理对渗Cr层显微组织的影响

4.2.4调质热处理对渗Cr层显微组织的影响

4.3 性能

4.3.1硬度

4.3.2极化曲线

4.4 本章小结

5热处理对梯度CrMo层组织与性能的影响

5.1 引言

5.2 CrMo渗层组织结构分析

5.2.1 XRD分析

5.2.2 CrMo渗层显微组织分析

5.2.3退火热处理对渗CrMo层显微组织的影响

5.2.4 调质热处理对渗CrMo层显微组织的影响

5.2.5 组织演变

5.3 性能

5.3.1 硬度

5.3.2 极化曲线

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果