鐵基合金等離子體稀土氮碳共滲組織超細(xì)化與深層擴(kuò)散機(jī)制.pdf

1、M50NiL鋼是新一代的高強(qiáng)軸承鋼，廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)等高端裝備制造業(yè)。對(duì)于軸承而言，其失效形式主要為接觸疲勞失效和磨損失效，因此要求其具有優(yōu)異的表面性能。然而目前對(duì)于M50NiL鋼的表面改性技術(shù)卻鮮有報(bào)道。如何在軸承鋼表面獲得超細(xì)化的組織且較深的改性層一直以來是化學(xué)熱處理的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)M50NiL鋼稀土氮碳共滲層的高強(qiáng)韌性的性能要求，將等離子體稀土氮碳共滲技術(shù)應(yīng)用于M50NiL鋼的表面改性?；谘h(huán)相變超細(xì)化思想，設(shè)計(jì)了變溫循

2、環(huán)稀土氮碳共滲工藝，以期實(shí)現(xiàn)共滲組織超細(xì)化；同時(shí)研究了不同鐵基合金低溫稀土共滲過程中的稀土元素催滲機(jī)制。
　　在不同相區(qū)對(duì)M50NiL鋼進(jìn)行稀土氮碳共滲，研究溫度、氮?dú)浔燃肮矟B時(shí)間對(duì)共滲層組織結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：M50NiL鋼α相區(qū)稀土氮碳共滲層無化合物層，共滲層微結(jié)構(gòu)為粗大的板條馬氏體。共滲層的相組成主要為α′N、α'-Fe4N及ε-Fe2-3N，且相結(jié)構(gòu)隨溫度變化較大，隨氮?dú)浔茸兓幻黠@。γ相區(qū)稀土氮碳共滲層組織同樣無化合物

3、層，相結(jié)構(gòu)受溫度及氮?dú)浔扔绊戄^大。相同氮?dú)浔认拢谩?Fe4N含量隨溫度升高而減少；當(dāng)?shù)獨(dú)浔葹?.3:0.1 L/min時(shí)，650℃下共滲1h后，開始形成γ-FeN0.076，說明奧氏體化開始。
　　以不同相區(qū)M50NiL鋼稀土氮碳共滲層相結(jié)構(gòu)演變規(guī)律為基礎(chǔ)，通過熱力計(jì)算設(shè)計(jì)了變溫循環(huán)共滲工藝，在共滲層表面上獲得了納米級(jí)的超細(xì)組織，而在共滲層內(nèi)部30μm處局部得到了超細(xì)化的組織。其中，γ<＝>α相區(qū)（降溫）循環(huán)共滲表面超細(xì)化組織由

4、α′N+γ′-Fe4N或單一的γ′-Fe4N組成，γ相區(qū)（升溫）循環(huán)共滲表面超細(xì)化組織由α′N和非晶組成。M50NiL鋼變溫循環(huán)稀土氮碳共滲超細(xì)化機(jī)制為：首先，γ相區(qū)共滲過程中發(fā)生奧氏體化，形成γ-FeN0.076，其次在后續(xù)的降、升溫循環(huán)過程中反復(fù)發(fā)生γ-FeN0.076→α′N+γ′-Fe4N轉(zhuǎn)變以及馬氏體相變（α-γ′N）。與此同時(shí)合金元素導(dǎo)致ε和γ′氮化物的穩(wěn)定性下降，使其在共滲過程中不易長(zhǎng)大，最終形成超細(xì)化共滲層組織。

5、　　M50NiL鋼經(jīng)不同相區(qū)稀土氮碳共滲后，硬度及耐磨性均大幅提高。磨損機(jī)制隨磨損速度由氧化疲勞磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp和粘著磨損。其中γ<＝>α相區(qū)（降溫）循環(huán)2次共滲層具有最優(yōu)的耐磨性。而稀土La的加入能夠抑制共滲層的脆性，提高共滲層的強(qiáng)韌性，增強(qiáng)共滲層的耐磨性。超細(xì)化共滲層耐磨性提高得益于其特殊的表面組織結(jié)構(gòu)。細(xì)小的含氮馬氏體+彌散析出的γ′-Fe4N組織有利于提高共滲層的強(qiáng)韌性和耐磨性。
　　稀土元素在化學(xué)熱處理中被證實(shí)具有

6、明顯的催滲效果，然而其催滲機(jī)制尚未得到很好的揭示，尤其在等離子體低溫稀土共滲中。本文的實(shí)驗(yàn)和熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果證實(shí)：等離子體低溫稀土共滲過程中La與N之間的作用是相互吸引的。通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算提出等離子體低溫稀土共滲過程中稀土催化機(jī)制：首先，稀土共滲過程中，在La和LaFeO3的共同作用下，使共滲表面變得粗糙，比表面積增大，有利于N的吸附；其次La對(duì)N的吸引提高了表面N的活度，與此同時(shí)通過LaFeO3對(duì)O的吸附，使得共滲表面N原子與La分離