工業(yè)純鐵表面納米合金化改性及原子擴散行為研究.pdf

1、現有的金屬表面合金化手段往往要在高溫下、長時間處理，以實現原子的滲入，這不僅可能會對基體的組織性能產生不利影響，也造成了資源、能源的浪費。針對這一問題，本文將金屬表面自納米化技術與表面合金化技術相結合，對工業(yè)純鐵進行納米合金化改性。其核心思想是利用納米晶鐵中的晶界、缺陷等為原子擴散提供大量擴散通道，從而能夠在較低的溫度下實現原子的快速擴散，降低表面合金化溫度，縮短擴滲時間。表面納米合金化改性主要涉及四個方面的內容，即自納米化組織的獲得、

2、納米晶中原子的擴散、擴散過程中的相變以及納米合金化改性層的性能。
　　 本文首先利用高能噴丸法對工業(yè)純鐵進行了表面自納米化處理，運用OM、XRD、SEM、EBSD等手段對其自納米化組織結構進行了系統(tǒng)表征與分析，得到了工業(yè)純鐵高能噴丸自納米化工藝和機理。在此基礎上，通過不同擴散源和應力加載方式的擴散處理，在工業(yè)純鐵表面獲得了多種表面納米合金化改性層；重點對鎳原子在納米晶鐵中的擴散行為進行了研究；然后對納米合金化改性過程中的相變進行

3、了分析；最后對納米合金化改性層的顯微硬度、耐蝕性及耐磨性進行了表征與研究。
　　 研究結果表明，在噴丸壓力0.6MPa，噴丸彈丸直徑1.0mm，噴嘴距噴丸表面距離50mm的工藝條件下，經6min噴丸處理，工業(yè)純鐵的表層晶粒被細化到了43.9nm，微觀畸變?yōu)?.0652％；獲得了本文擴散處理所需的工業(yè)純鐵自納米化樣品。表面納米化組織的退火和熱分析試驗結果表明，自納米化工業(yè)純鐵在600℃時晶粒已開始長大。
　　 工業(yè)純鐵高能

4、噴丸表面自納米化過程中的晶粒細化主要有三個方面的機制：一方面是通過位錯運動在大晶粒內部形成較大取向差的亞晶界，隨著位錯不斷的湮滅、重排，亞晶界的取向差不斷增大，最后演變成為晶界，大晶粒被細化成小晶粒。二是利用晶粒取向差不同而變形不同步的特點，逐漸將不同晶粒和晶粒內部不同部分分開從而實現晶粒細化。三是在噴丸過程中發(fā)生了一定程度的再結晶，不斷形成新的小晶粒，從而細化晶粒。
　　 在650～850℃之間對擴散偶施加10MPa恒定壓力擴

5、散實驗表明，鎳原子在納米晶純鐵中的擴散系數比其在常規(guī)粗晶中提高了一個數量級；在850℃對擴散偶施加8～16MPa脈沖壓力擴散時，鎳在納米晶鐵中的擴散系數較恒定加壓進一步提高。在用Arrhenius公式計算納米晶中原子擴散系數時，應該考慮升溫會導致納米晶晶界數量減少從而降低擴散系數因素。
　　 對自納米化工業(yè)純鐵擴散處理過程中的相變研究表明，在不同納米合金化改性層中除了α-Fe外，主要形成了FeNi3、Fe2Ni0.25、NiCr

6、和NiCr2等金屬間化合物。經退火處理后，不同納米合金化改性層的金屬間化合物數量大大減少，物相主要是固溶體，而且都出現了一定數量的奧氏體。
　　 晶粒細化、應力集中以及晶格畸變共同作用導致工業(yè)純鐵自納米化處理后的硬度增加；合金化改性后，由于合金元素的滲入，形成了固溶強化效應，導致其硬度較原始試樣提高。表面自納米化導致純鐵的耐腐蝕性有所降低，合金化改性后耐蝕性有所提高；自納米化純鐵以化學腐蝕為主，而合金化改性層的腐蝕主要是以電化學