碳鋼滲Ti及氮化工藝與性能的研究.pdf

1、提高材料耐磨和耐腐蝕性能,延長其使用壽命,減少昂貴稀有合金元素的消耗,是當(dāng)今材料工作者的重要任務(wù)。通過表面工程技術(shù),提高材料的服役能力,是當(dāng)今研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。
　　本課題首次采用脈沖單電源,結(jié)合離子濺射、空心陰極效應(yīng)和尖端放電技術(shù),在碳鋼表面進(jìn)行等離子滲Ti,形成表面滲Ti層;其后部分進(jìn)行等離子滲氮處理。以期達(dá)到表面滲Ti耐腐蝕和滲Ti+氮化耐磨的高性能結(jié)構(gòu)材料。
　　研究在Q195普通低碳鋼表面進(jìn)行脈沖單電源輝光等離子滲T

2、i的工藝,研究工藝參數(shù)對滲 Ti層的組織組成、相組成、微細(xì)結(jié)構(gòu)、滲層形貌、滲層成分和分布、表面硬度及其分布的影響;滲 Ti后溫度對離子氮化的組織組成、相組成、滲層形貌、表面硬度及其分布的影響;滲Ti及滲Ti+離子氮化試樣在耐酸、堿、鹽中的耐腐蝕試驗(yàn);滲Ti及滲Ti+離子氮化耐腐蝕機(jī)理分析及探討;滲Ti+離子氮化工藝的耐磨損性能試驗(yàn);滲Ti+離子氮化工藝的耐磨損機(jī)理探討和分析。研究結(jié)果表明:
　　1.脈沖單電源輝光等離子滲Ti,在本

3、工藝條件下能夠獲得200μm以上的滲層,表面含 Ti量為4~5％;其組織形貌為滲層與基體之間形成一條明顯的反應(yīng)擴(kuò)散分界線,說明滲金屬過程中出現(xiàn)新相;分界線兩邊均出現(xiàn)較為明顯的延續(xù)柱狀晶組織,說明滲層與基體之間存在著一定得位相關(guān)系,滲層依附于基體某些晶面向內(nèi)生長;
　　2.隨著電壓的升高,滲層厚度增加,滲層Ti含量升高。電壓增加到某一最佳值后,滲層厚度達(dá)到最大,滲層Ti含量達(dá)到最高。而后隨著電壓的繼續(xù)升高,滲層厚度下降。存在極大值規(guī)

4、律;
　　3.隨著氣壓升高表面含Ti量升高,但是增加至30Pa以后,表面含Ti量降低;
　　4.本研究的最佳工藝參數(shù)為:電壓為550V,溫度為1100℃,氣壓為30Pa,時(shí)間為3h;
　　5.各個(gè)工藝參數(shù)下滲Ti層物相組成,主要為Fe-Ti、Fe2Ti、TiC;
　　6.各種工藝條件下滲 Ti,顯微硬度由表向里呈梯度分布,表面硬度最高可達(dá)600HV0.1左右,平均僅有300HV0.1左右,較未處理碳鋼提高3~6倍

5、;
　　7.隨溫度的升高,氮化層厚度增加,硬度分布變得平緩,離子氮化滲層物相組成由Ti2N、TiN及Fe-Ti逐步轉(zhuǎn)變?yōu)門iN、Ti2N、Fe-Ti、Fe4N相;滲層和基體中析出物逐步出現(xiàn),滲層中的條狀氮化物析出明顯增多,基體中氮化物并呈粗大條狀沿晶界析出;
　　8.滲Ti及含TiN試樣在3.5%的NaCl腐蝕液中耐腐蝕性能較未處理試樣有一定程度提高,含TiN試樣耐腐蝕性能比滲Ti試樣提高1.44倍,比未處理試樣提高2.52

6、倍;
　　9.在1mol/L的H2SO4腐蝕液中,滲Ti及含TiN試樣鈍化能力明顯提高,兩者的鈍化電位區(qū)間均較未處理試樣有顯著擴(kuò)大;滲Ti及含TiN試樣的耐腐蝕性能較未處理試樣有較大提高,含TiN試樣比滲Ti試樣提高1.342倍,比未處理試樣提高15.835倍;滲Ti試樣比未處理試樣提高11.8倍;未處理試樣表現(xiàn)為面腐蝕,滲Ti試樣為點(diǎn)腐蝕,表面Ti的含量是影響其腐蝕性能主要原因,含TiN試樣能形成致密的鈍化膜,阻止了腐蝕液的進(jìn)入

7、;滲Ti耐腐蝕性能較未處理試樣提高12.15倍,較18-8不銹鋼提高1.42倍;滲Ti+離子氮化耐腐蝕性能較未處理試樣提高7.444倍,與18-8不銹鋼耐腐蝕性能相當(dāng);
　　10.在1mol/L的 HNO3腐蝕液中,滲Ti、滲Ti+離子氮化試樣致鈍電位較未處理試樣明顯降低,其鈍化電位區(qū)間分別比未處理試樣提高3.17倍、2.96倍;滲Ti、Ti+離子氮化試樣耐腐蝕性分別比未處理試樣提高7.44倍、4.54倍;滲Ti試樣腐蝕機(jī)制為輕微

8、面腐蝕,滲Ti為基體提供了較強(qiáng)的保護(hù)能力;滲Ti+離子氮化試樣腐蝕機(jī)理表現(xiàn)為典型的晶界腐蝕,未處理試樣腐蝕后表面形貌表現(xiàn)為較大的腐蝕坑且凸凹和起伏較明顯,是典型的孔蝕,表面腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重;滲Ti及滲Ti+離子氮化試樣雖然自腐蝕電位低于18-8不銹鋼,并且18-8不銹鋼未出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象,但自腐蝕電流密度明顯大于18-8不銹鋼。綜合其結(jié)果,18-8不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于滲Ti試樣和滲Ti+離子氮化試樣;
　　11.在1mol/L的HCl腐蝕

9、液中,滲Ti試樣耐腐蝕性能較未處理試樣提高2.322倍,滲Ti+離子氮化較未處理試樣提高9.493倍;未處理試樣、滲Ti及滲Ti+離子氮化腐蝕機(jī)理均表現(xiàn)為均勻的面腐蝕;
　　12.離子氮化溫度升高,表面硬度提高,硬度分布趨于平緩;相對磨損試驗(yàn)結(jié)果為:滲Ti+500℃、550℃、600℃離子氮化耐磨損性能較未處理試樣分別提高3.77倍、4.33倍及6.5倍,較T10鋼淬火+回火試樣分別提高2.57倍、3倍、4.5倍。隨著氮化溫度的升