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碳钢表面中温双辉等离子渗铬合金化及渗层中碳迁移的研究
中文名称: 碳钢表面中温双辉等离子渗铬合金化及渗层中碳迁移的研究
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论文编号: 3044963收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Research of Middle Temperature Chromizing on Carbon Steel with Double Glow Plasma Surface Alloying Process and Carbon Migration in the Chromized Layer
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 材料加工工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 中温 合金 合金化 碳钢 渗铬 表面合金化 组织与性能 碳迁移 碳素钢
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论文简介:模具是材料塑性加工中必不可少的工装,中高碳钢是制造模具的廉价材料。模具多数是因表面耐磨性、抗氧化性或耐蚀性差而失效的,因此,模具的表面强化技术显得非常重要,但强化层易剥落、处理温度高、存在污染等问题一直在困扰着现有技术的应用。 二十多年来,双辉等离子渗金属技术得到长足的发展,但在中高碳钢表面渗金属还没有得到全面、深入的研究。尤其是当渗入元素为强碳化物形成元素时,必须考虑基材中碳元素的作用、影响及其利用。在高含碳量的合金表面渗Cr,基材中的碳对渗层的形成有何影响?反过来,Cr的渗入对基材中的碳分布又有何影响?等等。这些看似简单的问题,实际上对渗铬技术的发展与应用有着重要的理论指导作用。 论文将渗铬作为表面强化手段,对模具用碳素钢进行表面硬化,提高抗磨、抗蚀和高温抗氧化性能。特别是,对一些基体性能要求不高、而只要求表面高耐磨的工件,在表面直接形成高硬层,是一条很有创意与应用价值的思路,双辉技术在这方面还未开展研究工作。借助离子轰击行为对渗金属效果的强化作用,在碳钢表面进行中温(800~950℃)双辉等离子渗金属处理,可以减少工件变形,不恶化基体组织和性能,对增强双辉等离子渗金属技术的实用性、拓宽其应用领域有重要意义。 论文针对上述问题,选择了碳钢表面中温双辉等离子渗铬合金化及其对基体的影响为研究课题。主要围绕880~900℃温度下的中高碳钢表面双辉等离子渗铬强化技术的应用基础问题,选取45、55、T8和T10钢作为试验材料,采用双辉等离子渗金属技术,进行表面渗铬合金化基础研究、理论分析和应用研究。 扩散原子理论认为,工件的温度对合金渗层的生长及基体性能的影响很大,准确地测量出工件的温度便显得非常重要。在双辉等离子渗金属的过程中,工件置于真空室内的等离子体中,并且在工件上加有负偏电压,准确测温有很多困难需要解决。因此,论文首先在双辉等离子渗金属温度测量方面作了一些实验研究工作,得出了一些光电高温计能够准确测量工件真实温度的办法: 采用WDL-31型光电高温计测量工件温度比热电偶法简单易行,但在使用前,均应对其进行比对标定。 在采用常规工艺对碳钢表面双辉等离子渗Cr的稳态阶段,光电高温计需分别使用0.3~1.0间不同的ε值来测量800~1000℃间不同的工件温度,这样,指示值与工件真实温度才相吻合。 炉内气压的高低对光电高温计的温度测量精度影响很大,在不同气压的渗铬合金化工艺中,光电高温计应选用不同的ε值来进行测温。 碳钢表面进行双辉等离子渗铬合金化,采用不同的工艺参数可得到单一沉积层、扩散层和渗镀层等与粉末渗铬不同形式的渗铬合金层。渗镀层是中高碳钢表面渗铬常见的合金层形式,由纯铬沉积层、铬碳化物层和铬铁素体层三层构成。 论文借助于双辉等离子渗金属技术可实时调整某些工艺参数的优势,通过改变渗入金属元素吸附在基材表面上的浓度,得到了碳钢表面渗铬形成单一铬扩散层和铬沉积层的工艺条件。实现了通过控制宏观工艺参数来控制渗金属合金层组织。 论文归纳整理了大量前期实验结果,针对碳钢表面双辉等离子渗铬合金层特点,提出了以渗铬合金层完整性、棱角塌陷度、渗铬合金层厚度、铬沉积层厚度、铬碳化合物层厚度、基体脱碳层厚度及基体晶粒长大程度为考核内容的渗铬合金层质量的评价指标,建立了碳钢渗铬合金层的质量评价标准。为鉴定碳钢表面渗铬合金化效果提供了评价手段。 以试样渗铬合金层中铬碳化合物层厚度最厚、铬沉积层和基体脱碳层厚度最薄为追求目标,论文优化出在880~900℃的渗铬温度下的碳钢表面双辉等离子渗铬合金化最佳工艺参数:极间距=20mm,源极电压=-800V、工件电压在-280V~-350V范围内、氩气压=45Pa和保温时间=3h。 论文系统地对在880~900℃的温度下,采用最佳工艺参数在碳钢表面得到的双辉等离子渗铬合金层成分及组织进行了检测。用德国产GDA750型辉光放电分析仪及国产KYKY-1000B型扫描电镜SEM进行微区逐点扫描,测定渗铬合金层的Fe、Cr、C浓度沿截面的分布;用德国产Axiovert25型图象分析仪,观察试样渗铬合金层的显微组织和形貌,测量渗铬合金层的厚度;在RigakuD/max2500型X射线衍射仪上,进行试样渗铬合金层的物相分析。 不论是在中碳钢上,还是在高碳钢上,渗铬合金层的铬浓度均随深度变化,由表及里依次降低,形成一种梯度合金材料,其最表层铬浓度可高达95%以上。铬浓度分布曲线呈开口向下的右半抛物线形状。中碳钢的渗铬合金层的厚度可达45μm以上,高碳钢的渗铬合金层的厚度可达60μm以上。铬沉积层是纯铬并混有少量的(Fe,Cr)23C6相,铬碳化合物层主要由(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6相组成,并形成致密的连续分布;铬铁素体层是含铬的珠光体和渗碳体组织。 论文对在880~900℃的温度下,采用最佳工艺参数在碳钢表面得到的双辉等离子渗铬合金层性能进行了检测。在日本产M-400-H1型显微硬度计上,测定渗铬合金层的硬度分布;采用国产WS-97型划痕仪,对沉积层与铬碳化合物层间的结合力进行测定。在国产ML-10型磨料磨损实验机上进行磨损试验对比,检验渗铬合金层的耐磨性的提高。在SX-4-10型箱式电阻炉中进行了总时间为100h的循环氧化实验,通过比对渗铬和未渗铬处理的试样在高温静态空气中的循环氧化行为,来研究表面渗铬对碳钢抗氧化性能的改善。 碳钢渗铬后,表层的最高硬度出现在铬碳化合物层,维氏硬度高达HV1200~HV1420,渗铬合金层下出现了贫碳层,但其硬度仍然高于基体硬度。厚度小于6μm的沉积层不会剥落,不影响其与铬碳化合物层的良好结合。碳钢表面双辉等离子渗铬合金化后,与常规的淬火+回火工艺相比,表层的耐磨性可提高5~6倍;750℃×100h的循环氧化试验表明:抗氧化性能可提高10倍以上,效果明显。 通过对碳钢表面双辉等离子渗铬物理过程的微观分析,论文将整个合金化过程划分为四个分过程。利用铬碳化合物层和沉积层厚度随渗铬时间的变化曲线、X射线衍射图谱及铬浓度分布,分析了渗铬合金层的生长规律。提出了吸附在试样表面的铬先扩散,后沉积的渗层生长模式。 在双辉等离子渗Cr处理时,当碳钢试样表面受到强烈溅射时,可能导致基体及渗铬合金层脱碳。论文实验得出了中高碳钢基体及渗铬合金层脱碳与否的工艺条件。并运用晶体缺陷形成理论,对上述工艺条件进行了理论验证。 碳钢表面进行双辉等离子渗Cr处理时,Cr元素的渗入使表层中碳的化学位降低,引起了碳从基体向渗层的迁移,基体出现贫碳区,渗铬合金层出现富碳区。论文利用渗铬合金层中碳浓度分布与渗铬时间的变化曲线描述了铬元素渗入碳钢基体过程中碳原子的迁移规律,并用热力学知识分析了碳迁移动力学,揭示了渗入元素与基材元素间的相互影响和作用。
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