中碳低合金鋼滲氮與激光淬火復(fù)合改性層組織與性能.pdf

1、中碳低合金鋼深層表面改性是表面工程領(lǐng)域亟待解決的問題之一。提高化學(xué)熱處理溫度或是延長處理時(shí)間可以獲得較厚的滲層但易導(dǎo)致組織粗化，力學(xué)性能下降。本文將低溫等離子體滲氮及稀土氮碳共滲技術(shù)應(yīng)用于38CrMoAl鋼及30CrMnSiA鋼的表面改性，研究中碳低合金鋼滲層組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，揭示低溫滲氮層強(qiáng)韌化機(jī)制及稀土作用機(jī)制；并結(jié)合激光淬火形成了一種在中碳低合金鋼表面獲得硬度與厚度倍增的復(fù)合改性層的方法，揭示復(fù)合改性深層硬化機(jī)制。
　　低

2、溫離子滲氮溫度控制在460～500℃。滲氮溫度高于500℃時(shí)，滲層組織中有大量的氮化物沿晶界析出，形成脈狀組織；低于460℃時(shí)，組織較好，但滲層較薄。460℃滲氮表面無明顯化合物層，在距表面~30μm內(nèi)形成耐蝕白層，衍射峰偏移與寬化明顯。XRD及TEM(HRTEM)觀察結(jié)果表明在距離滲氮表面30μm的區(qū)域內(nèi)，晶粒尺寸為十至幾十納米，SAED結(jié)果標(biāo)定納米晶粒為N膨脹馬氏體α'N。
　　超低氮?dú)浔葷B氮研究發(fā)現(xiàn)在溫度高達(dá)590℃，氮?dú)浔?/p>

3、低至0.05:0.4時(shí)，可在38CrMoAl鋼表面形成單相α'N層。通過 TEM觀察，α'N相的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯。與γ'-Fe4N與ε-Fe2-3N相相比，高溫獲得的α'N相的硬度顯著提高，楊氏模量略有提升。α'N相的H/E比值相比于γ'-Fe4N與ε-Fe2-3N相分別提高了25.5％及28%；而 H3/E2比值則分別提高了141.67%及132%。相比于高溫α'N的數(shù)據(jù)，低溫α'N的H/E比值提高了4.7%，H3/E2比值提高了2

4、5.9%。組織超細(xì)化使低溫α'N層具有更高的強(qiáng)韌性。
　　本文對滲氮表面化合物層中γ'-Fe4N相的擇優(yōu)取向的產(chǎn)生機(jī)制及其對磨損性能的影響進(jìn)行了研究。在低溫低氮滲氮表面可以獲得(200)γ'擇優(yōu)取向，并且隨滲氮時(shí)間延長擇優(yōu)取向增強(qiáng)。經(jīng)過72h長時(shí)間循環(huán)滲氮可在表面形成(220)γ'擇優(yōu)取向。通過實(shí)驗(yàn)及第一性原理計(jì)算的方法獲得如下四組取向關(guān)系：{(0001)ε//(101)α'，[110]ε//[111]α'}；{(111)γ'//

5、(0001)ε，[011]γ'//[1210]ε}；{(200)γ'//(110)α'，[011]γ'//[111]α'}以及{(1103)ε//(220)γ'，[0100]ε//[110]γ'}。γ'-Fe4N相的擇優(yōu)取向與其析出路徑有關(guān)：α'N→γ'以及α'N→ε→γ'。(200)γ'擇優(yōu)取向的試樣摩擦系數(shù)與磨損率低于(220)γ'擇優(yōu)試樣；(111)γ'擇優(yōu)試樣由于滑移系平行于滑動平面，摩擦系數(shù)低但磨損率較高。因此，(200)γ'

6、擇優(yōu)取向有助于提高試樣的耐磨性能。
　　低溫稀土氮碳共滲研究表明稀土元素可以有效提高氮碳共滲效率。添加稀土元素后，共滲層厚度提升了19.71～44.23%。La原子非?；顫?，濺射沉積于試樣表面與乙醇及背底真空中的O在試樣表面反應(yīng)生成 LaFeO3。LaFeO3具有非常高的催化氧化活性，生成的高氧化性物質(zhì)在氮碳共滲過程中促進(jìn)表面致密氮化物層的分解，為 N原子的擴(kuò)散提供了通道。La原子可以滲入到試樣表層中5μm深度內(nèi)。這一厚度對應(yīng)于表

7、面上γ'-(Fe,La)4N形成的位置。由于La原子較大，進(jìn)入到γ'-Fe4N晶格中造成晶格膨脹，提高了N的固溶度，從而抑制了致密陶瓷相ε-Fe2-3N(C)的形成。因此，N的主要擴(kuò)散通道，如表面晶界、缺陷等未被阻塞，N的擴(kuò)散速度較快。從 TEM結(jié)果可知，La可擴(kuò)散至距表面25μm的深度，并且稀土有細(xì)化組織的作用。
　　通過對38CrMoAl及30CrMnSi兩種中碳低合金鋼離子滲氮或氮碳共滲與激光淬火復(fù)合處理的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合

8、工藝改性層的硬度及厚度相比于單一的PN/PNC處理或是激光淬火處理顯著提高。滲氮/氮碳共滲試樣表面相組成為γ'-Fe4N和ε-Fe2-3N(C)，經(jīng)激光淬火處理后表面相組成為淬火馬氏體(α'-Fe)，F(xiàn)e的氧化物(Fe3O4，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eO)以及少量的γ'-Fe4N和ε-Fe2-3N(C)和低氮化合物FeN0.076(殘余奧氏體)。Fe3O4的潤滑作用有效降低了摩擦系數(shù)與磨損率，一定量的殘余奧氏體提高了試樣表面的沖擊韌性，從而使復(fù)合