奥氏体不锈钢低温离子表面硬化处理工艺与应用基础研究

论文摘要

低温离子表面硬化处理技术可以在不降低奥氏体不锈钢耐蚀性能的前提下对其进行表面硬化处理,提高不锈钢表面的硬度和耐磨性能。本文研究了奥氏体不锈钢低温离子渗碳技术,并对其工艺、机理作了系统的研究。运用先进的实验仪器和分析方法,如场发射扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电谱仪、电化学腐蚀仪、金相显微镜（OM）、显微硬度计等,对奥氏体不锈钢表面硬化层的相结构、显微组织、渗层硬度、渗层厚度、渗层成分以及等方面进行了测试与分析讨论。首先通过正交试验检验了奥氏体不锈钢低温离子渗碳温度、渗碳时间、丙烷气体流量等因素对渗碳层的影响,优化了奥氏体不锈钢低温离子渗碳工艺参数,并对预测的优化工艺参数进行了验证。利用Fick第二扩散定律对采用优化工艺处理的奥氏体不锈钢表面碳的扩散规律进行了数值模拟计算,并与实测的渗碳不锈钢表面碳浓度分布进行了对比,验证了该优化工艺的可行性。在工艺优化的基础上,将奥氏体不锈钢低温离子硬化处理技术应用于奥氏体不锈钢无螺纹卡套的表面硬化处理,使卡套表面形成一层均匀的、无碳化铬析出的硬化层,在不降低其耐蚀性能和保证卡套塑韧性的前提下,大幅度提高了卡套表面的硬度,并采用爆破试验台、脉冲振动试验台等设备对卡套式管接头的整体性能进行检测,经检测不锈钢卡套管接头的综合性能完全符合国家标准（GB/T 3765-2008）,打破了国际技术垄断,填补了国内空白,现已批量工业化生产。本文还根据活性屏离子渗氮技术的原理,对奥氏体不锈钢进行了活性屏低温离子渗碳处理的研究。研究结果表明,在≤550℃下可以利用活性屏技术对奥氏体不锈钢进行低温渗碳处理,无论是渗碳层的硬度、硬度梯度、厚度和耐蚀性均与直流离子渗碳效果相同,解决了低温直流离子渗碳过程中存在的一系列难以克服的技术难题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 材料表面技术与工程概论
• 1.1.1 材料表面技术的定义
• 1.1.2 材料表面工程技术的特点与意义
• 1.1.3 材料表面工程技术的分类
• 1.2 材料表面改性技术
• 1.3 等离子体材料表面改性处理技术
• 1.3.1 低压等离子体的物理概念及其产生方法
• 1.3.2 等离子体表面改性处理技术简介
• 1.4 奥氏体不锈钢表面离子硬化处理技术
• 1.4.1 奥氏体不锈钢的含义
• 1.4.2 奥氏体不锈钢低温离子渗氮技术
• 1.4.3 奥氏体不锈钢的低温离子氮碳共渗技术
• 1.4.4 Kolsterising 技术
• 1.4.5 低温超饱和（LTCSS） 工艺
• 1.4.6 直流低温离子渗碳技术
• 1.5 本课题研究的内容和意义
• 2 奥氏体不锈钢低温离子渗碳工艺优化
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 试验材料与试验装置
• 2.2.2 实验方案设计
• 2.2.3 试验操作过程
• 2.2.4 分析测试方法
• 2.3 正交试验结果分析
• 2.3.1 以渗碳层硬度为评判指标的实验结果
• 2.3.1.1 极差分析
• 2.3.1.2 方差分析
• 2.3.2 以渗碳层的厚度为评判指标的实验结果
• 2.3.2.1 极差分析
• 2.3.2.2 方差分析
• 2.4 正交试验对工艺参数的优化及其验证
• 2.4.1 正交试验预测的优化工艺参数
• 2.4.2 对优化工艺参数的验证
• 2.4.2.1 优化工艺参数处理的试样金相组织与结构
• 2.4.2.2 优化工艺参数处理的试样表面碳元素分布
• 2.4.2.3 优化工艺参数处理的试样硬度梯度
• 2.5 分析讨论
• 2.5.1 渗碳处理中的表面扩散过程
• 2.5.2 活性碳原子的内扩散过程
• 2.6 小结
• 3 奥氏体不锈钢活性屏离子渗碳的研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料与方法
• 3.3 试验结果
• 3.3.1 渗碳层的表面形貌与组织结构分析
• 3.3.2 渗碳层的硬度分析
• 3.3.3 渗碳层的耐蚀性能
• 3.3.4 活性粒子形貌与成分分析
• 3.4 分析讨论
• 3.4.1 活性屏低温离子渗碳过程
• 3.4.2 奥氏体不锈钢活性屏离子渗碳的去钝过程
• 3.5 小结
• 4 奥氏体不锈钢卡套表面硬化处理的应用基础研究
• 4.1 引言
• 4.2 表面硬化处理在奥氏体不锈钢卡套上的应用
• 4.3 低温离子渗碳在不锈钢卡套表面硬化上的应用
• 4.3.1 试验材料与实验方法
• 4.3.2 分析测试方法
• 4.3.2.1 卡套表面硬化层性能测试
• 4.3.2.2 卡套与管接头整体性能测试
• 4.3.3 试验结果
• 4.3.3.1 组织结构
• 4.3.3.2 表面碳含量分析
• 4.3.3.3 渗碳层的硬度
• 4.3.3.4 渗碳层的耐蚀性能
• 4.3.4 奥氏体不锈钢卡套管接头综合性能分析
• 4.3.4.1 密封性测试
• 4.3.4.2 耐压测试
• 4.3.4.3 循环脉冲测试
• 4.3.4.4 过拧紧性能测试
• 4.3.4.5 振动性能测试
• 4.3.4.6 振动加循环脉冲测试
• 4.3.5 测试结果
• 4.4 小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已发表论文及所获荣誉