低温固体粉末渗铬机理的研究

论文摘要

本文对低温固体粉末渗铬进行了探索性的研究,并在20和45钢表面上取得了渗铬层。采用金相显微镜、X射线衍射、热场发射扫描电镜等检测方法研究了渗铬层的形貌、微观成分、相结构等,讨论了渗铬层的形成机制。研究表明,在580-650℃下保温3-5h,可以在20钢、45钢表面得到厚约2-8μm致密的渗铬层,所得渗层质量与基体碳含量、预处理条件、保温时间等参数相关。随保温时间延长,所得渗层厚度增加、致密性和均匀性提高；试样经过淬火处理,所得渗层厚度、致密性和均匀性与退火态试样比较均有所提高；渗铬过程中滚筒需进行转动,以保证活性铬原子供应和渗层均匀,但转速需进行控制,否则易造成渗层疏松、孔洞；粗糙试样表面的渗层厚度大于光滑试样。试样渗铬层与基体间的贫碳薄层所发生的再结晶,是由渗铬层的应力引起的,在很大程度上消除了基体和渗层的应力作用,增加了基体和渗层的结合强度。通过理论计算,证实在低温固体粉末渗铬过程中,空位机制对原子的扩散、渗层的形成和生长有着重要的作用；淬火试样脱碳层实际厚度与计算值在数量级上相符,约十几至几十微米,同时又由于空位扩散机制的影响,增加了脱碳量,使脱碳层厚度大于计算数值。经X射线衍射检测和热场发射扫描电镜分析表明,实验参数相同时,形成的渗层因试样预处理条件的不同而异：退火态试样所得渗层的主要相结构为α-（Cr, Fe）,Fe-Cr, Fe3C,没有发现碳化铬；淬火态试样所得渗层的主要相成分为a-（Cr,Fe）,Cr7C3,（Fe,Cr）3C;渗层中铬含量与基体碳含量有关,45钢渗层中铬含量明显高于20钢。在低温固体粉末渗铬过程中,碳由基体向渗层的扩散为上坡扩散,在渗层中的扩散则因试样而异：在退火态钢的渗层中,中间区域的碳含量最高,两侧含量递减,成分曲线为左右对称的抛物线。渗层中Fe3C的形成降低了碳的化学势,提供了碳上坡扩散的驱动力；对淬火态的试样,由于淬火产生了大量缺陷,大大提高了碳在基体内的扩散速度,为表面碳化铬的形成提供了足够的碳。之后随着渗层的增厚,各种原子在渗层中的扩散越来越困难,最终形成了由渗层表面向基体递减的分布状态。通过本文的研究,证明低温固体粉末渗铬法是可行的。在中低碳钢可以实验成功,说明对其他种类的钢同样也可以应用。本实验工艺温度低、时间短,较其他工艺大大降低了能耗、节约了资源,减少了工件的变形。同时,也为其他低温渗金属的工艺提供了重要的借鉴意义,具有很好的工业应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 表面渗铬的方法
• 1.2.1 高温固体粉末渗铬法
• 1.2.2 气体渗铬法
• 1.2.3 辉光离子渗铬法
• 1.2.4 盐浴渗铬法
• 1.2.5 高频脉冲加热渗铬
• 1.3 表面渗铬的应用
• 1.3.1 提高硬度
• 1.3.2 提高耐磨性能
• 1.3.3 提高抗蚀性能
• 1.3.4 提高热硬性
• 1.3.5 提高抗高温氧化性
• 1.3.6 提高力学性能
• 2腐蚀性能'>1.3.7 提高耐CO₂腐蚀性能
• 1.4 渗铬的研究现状
• 1.4.1 盐浴渗铬
• 1.4.2 离子辉光渗铬
• 1.4.3 固体粉末渗铬
• 1.4.4 复合渗铬
• 1.5 本课题研究内容
• 第二章 实验工艺、原理及设备
• 2.1 实验材料的选择及预处理
• 2.2 表面渗铬的原理及工艺
• 2.2.1 表面渗铬的原理
• 2.2.2 表面渗铬的影响因素
• 2.3 低温粉末固体渗铬的工艺
• 2.4 实验设备及分析测试方法
• 2.4.1 箱式加热炉
• 2.4.2 金相显微分析
• 2.4.3 X射线衍射分析
• 2.4.4 热场发射扫描电镜
• 2.4.5 机械能助渗炉
• 第三章 低温固体粉末渗铬层的组织形貌
• 3.1 低温固体粉末渗铬后的金相组织
• 3.1.1 20钢低温固体粉末渗铬后的金相组织
• 3.1.2 45钢低温固体粉末渗铬后的金相组织
• 3.1.3 分析讨论
• 3.2 低温固体粉末渗铬层的热场发射扫描电镜分析
• 3.2.1 退火态20钢
• 3.2.2 淬火态20钢
• 3.2.3 退火态45钢
• 3.2.4 淬火态45钢
• 3.2.5 分析讨论
• 第四章 低温固体粉末渗铬层的X射线衍射分析
• 4.1 退火态20钢低温固体粉末渗铬层的X射线衍射分析
• 4.2 淬火态20钢低温固体粉末渗铬层的X射线衍射分析
• 4.3 退火态45钢低温固体粉末渗铬层的X射线衍射分析
• 4.4 淬火态45钢低温固体粉末渗铬层的X射线衍射分析
• 4.5 分析讨论
• 第五章 低温固体粉末渗铬的热力学和动力学分析
• 5.1 低温固体粉末渗铬的热力学
• 5.2 低温固体粉末渗铬的动力学
• 5.2.1 碳的扩散
• 5.2.2 金属原子的扩散
• 5.2.3 空位的扩散
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表