含氮铁基粉末冶金材料制备的热力学分析及性能研究

论文摘要

铁氮化合物有较高的硬度、较好的耐磨性和抗蚀性及磁学性能。若用含氮铁基粉末冶金材料来代替铁基粉末冶金材料,则可弥补铁基粉末冶金材料性能上的一些缺点,并可利用含氮铁基粉末冶金材料某些方面的特殊性能来替代以前的材料以提高部件的使用寿命,提高经济效益。本文作者对含氮铁基粉末冶金材料的制备工艺及获得的含氮铁基粉末冶金材料的性能进行了研究。实验中采用了氧化铁粉代替纯铁粉来制备Fe3N粉末,然后对Fe3N粉末压制成型后进行烧结,烧结气氛为氨气和适量的氮气混合气体。在该工艺下制备出了含氮铁基粉末冶金材料。对制备出的含氮铁基粉末冶金材料的成分、结构、物理性能及力学性能分别作了实验研究,并通过热力学知识和动力学知识对制粉过程和烧结过程进行了分析。结果表明,制备出的含氮铁基粉末冶金材料的相结构主要为Fe和Fe4N两种,其中Fe4N成分约占19%。该材料具有较高的密度,其电阻率为19μΩ·cm,最大磁感应强度为86.8emu/g,矫顽力和剩磁分别为26Oe和0.45emu/g。在力学性能方面,该材料的显微硬度值是铁基粉末冶金材料的2～3倍,腐蚀性能比铁基粉末冶金材料提高了2～3倍,且摩擦磨损性能提高了1～2倍。由热力学分析可知:制粉过程氧化铁粉渗氮要比纯铁粉渗氮容易且效果要好。在烧结过程中,即使氧分压很低,Fe4N也会发生氧化,因此烧结时必须要有保护气体。通过烧结动力学分析对烧结过程中的氮势及氮原子的扩散机理作了说明。在不同的烧结气氛下进行烧结可以得到不同成分的烧结材料,通过实验的对比结果得出在NH3-N2气氛下烧结可以得到含量较高的Fe4N,NH3的作用是提供氮势,而N2的作用是降低氢分压,达到控制氮势目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 粉末冶金的发展历史
• 1.2 粉末冶金的特点
• 1.3 铁基粉末冶金材料的研究现状及应用
• 1.4 铁氮化合物的简介
• 1.5 本论文的意义、试验思路和创新性
• 第2章 铁氮粉末的制取过程
• 2.1 引言
• 2.2 氧化铁粉的制取
• 2.3 铁氮粉末的制取
• 2.3.1 渗氮原理简介
• 2.3.2 铁氮粉末的制取设备
• 2.3.3 铁氮粉末的粒度
• 2.3.4 铁氮粉末的形状分析
• 2.3.5 铁氮粉末的成分分析
• 2.4 制粉过程中热力学分析
• 2.4.1 氨气分解率
• 2.4.2 纯 Fe粉渗氮生成低价铁氮化合物的热力学计算
• 2.4.3 氧化铁粉渗氮生成低价铁氮化合物的热力学计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 含氮铁基粉末冶金材料的压制和烧结过程
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 铁氮粉末的压制
• 3.2.2 含氮铁基粉末冶金材料的烧结
• 3.3 烧结过程中的热力学分析
• 3.3.1 Fe-N材料在烧结过程中的氧化
• 3.3.2 Fe在烧结过程中的氧化
• 3气氛中烧结的热力学'>3.3.3 Fe-N材料在NH₃气氛中烧结的热力学
• 3.4 烧结过程中的动力学分析
• 3.4.1 烧结气氛中氮势的定义
• 3.4.2 烧结过程中氮原子扩散的动力学分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 含氮铁基粉末冶金材料的结构分析及性能研究
• 4.1 含氮铁基粉末冶金材料的成分和结构分析
• 4.1.1 含氮铁基粉末冶金材料的成分分析
• 4.1.2 含氮铁基粉末冶金材料的结构分析
• 4.2 含氮铁基粉末冶金材料的物理性能
• 4.2.1 含氮铁基粉末冶金材料的密度测定
• 4.2.2 含氮铁基粉末冶金材料的电学性能
• 4.2.3 含氮铁基粉末冶金材料的磁学性能
• 4.3 含氮铁基粉末冶金材料的力学性能
• 4.3.1 含氮铁基粉末冶金材料的硬度测定
• 4.3.2 含氮铁基粉末冶金材料的腐蚀性能
• 4.3.3 含氮铁基粉末冶金材料的磨损性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 烧结气氛对含氮铁基粉末冶金材料性能的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 不同烧结气体对烧结结果的影响研究
• 5.2.1 真空气氛下的烧结
• 2气氛下的烧结'>5.2.2 N₂气氛下的烧结
• 3气氛下的烧结'>5.2.3 NH₃气氛下的烧结
• 3-N₂气氛下的烧结'>5.2.4 NH₃-N₂气氛下的烧结
• 5.2.5 原因分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文