SMAT純鐵退火及滲氮行為研究.pdf

1、氣體滲氮是目前工業(yè)上應用最廣泛的金屬材料表面強化技術之一，它可有效地提高工件表面的硬度、強度、抗腐蝕能力和抗摩擦磨損能力。然而，由于反應動力學和熱力學方面的限制，氣體滲氮過程一般需在550℃以上長時間保溫進行。此工藝不但使氣體滲氮工藝成本提高，也對材料心部的力學性能和工件尺寸精度產(chǎn)生了嚴重的影響。因此，降低氣體滲氮溫度、加速反應動力學過程是鋼鐵材料表面滲氮研究的主攻方向。 本工作采用最近發(fā)展的表面機械研磨技術(SMAT)，在純F

2、e樣品表面制備出納米結構表層，而后對其退火和氣體滲氮行為進行了研究。利用X-射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)等分析手段對滲氮層進行了結構表征，并對氮原子在納米結構表層的擴散激活能進行了粗略測定。主要研究結果包括： 1、SMAT純鐵在較高溫度下退火后仍具有較好的熱穩(wěn)定性。在500℃退火1個小時，SAMT純鐵的表層和次表層均未發(fā)生再結晶，但晶粒尺寸已明顯發(fā)生長大，處于微米量級。當退火溫度過高時，SMAT純鐵

3、表面的納米結構層的熱穩(wěn)定性就會喪失，在550℃退火時，SAMT純鐵表層發(fā)生了充分再結晶，而次表層沒有發(fā)生再結晶，但該層硬度明顯降低。 2、表面機械研磨技術(SMAT)極大地提高了純鐵的滲氮能力。氮原子在α-Fe中的擴散激活能測量值為46.39kJ/mol，僅有粗晶純鐵(76kJ/mol)的0.6倍，樣品的滲氮層層深與其滲氮處理時間的關系滿足經(jīng)驗公式ξ1.538=Kτ 3、實現(xiàn)低溫滲氮的主要原因在于納米純鐵中存在著大量的晶

4、界和其它結構缺陷。這些缺陷使得氮原子在納米材料中的擴散速度加快，在樣品表層易形成高的氮濃度，并且可大幅度提高氮化物的低溫形核率。同時，納米材料有較高的自由能，改變了滲氮反應的熱力學條件，使得氣體滲氮反應易于在低溫下進行。 4、SMAT純鐵氣體滲氮(500℃)處理后，微晶結構的滲氮層沿深度方向根據(jù)其結構特點可被分為四層。表層為化合物層，主要由ε-Fe3-2N相和γ'-Fe4N相組成，顯微硬度可達到650Hv；第二層為強塑性變形(亞