氮离子注入00Cr17Ni14Mo2钢表面改性机理研究

论文摘要

高温离子注入能有效克服常规离子注入层浅的不足。本文是在250℃,将48keV,剂量为5×1017N+/cm2、7×1017N+/cm2、10×1017N+/cm2、15×1017N+/cm2的氮离子注入00Cr17Ni14Mo2奥氏体不锈钢表层后,采用多功能扫描俄歇电子谱仪（AES）、X光电子谱仪（XPS）、X射线衍射分析仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、Triboindenter纳米压痕仪、PARSTAT电化学测试仪器和ALEX-1多功能球/盘状摩擦磨损性能实验机等,研究了注入剂量对注入层氮离子的分布、组织结构、纳米硬度、耐腐蚀性能和耐磨性能的影响。继而研究了热处理温度对注入层组织结构、纳米硬度、耐腐蚀性能和耐磨性能的影响。结果表明,氮离子注入00Cr17Ni14Mo2奥氏体不锈钢的N浓度分布与低温注入的有很大不同,氮分布形态呈明显的扩散特征,并随注入剂量的增加,含氮层深度增大。XPS和XRD分析表明,氮离子注入00Cr17Ni14Mo2奥氏体不锈钢后,在表面区域形成了CrN和Cr2O3化合物,在更深的含氮层则以N的固溶体形式存在,形成了不同含氮量的氮固溶膨胀奥氏体γN相。氮离子注入后的00Cr17Ni14Mo2奥氏体不锈钢,经不同温度的热处理,氮离子向更深的区域扩散。此外,XRD分析还表明氮在该不锈钢中的含量和扩散深度明显依赖于晶向。在氮离子注入过程中,注入剂量对00Cr17Ni14Mo2奥氏体不锈钢基体的纳米硬度,抗摩擦磨损性能及电化学腐蚀性能均有一定的影响。在同一载荷下注氮后的00Cr17Ni14Mo2不锈钢压入深度浅,纳米硬度明显提高。注氮后经500℃和600℃温度热处理后的样品纳米压痕硬度与未进行热处理的相差不大,这是由于注氮后的强化机制主要是固溶强化,进行热处理后,固溶度和晶格缺陷密度降低,固溶强化和缺陷强化对基体的强化贡献小,然而氮化物的弥散析出强化有可能弥补。热处理改变了离子、空位的扩散行为、聚集和消失方式,从而改变了强化机理。热处理后00Cr17Ni14Mo2不锈钢含氮层进一步增厚,也可进一步强化表面。氮离子注入后00Cr17Ni14Mo2不锈钢的耐磨性能都有所提高。注入剂量为7×1017N+/cm2的样品经350℃4h热处理后,耐磨性能明显高于未经热处理的,这主要是由于经350℃4h热处理后,氮向更深的区域扩散,而且辐照损伤区有一定的恢复,提高了耐磨性。氮离子注入后00Cr17Ni14Mo2不锈钢的点腐蚀得到了较好的抑制,并出现了钝化区,但存在严重的晶间和穿晶腐蚀。00Cr17Ni14Mo2不锈钢注氮经热处理后均有明显的晶间腐蚀。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 离子注入对金属材料的表面改性
• 1.1.1 提高金属的表面强度
• 1.1.2 改善金属耐磨性能
• 1.1.3 提高金属抗氧化性能
• 1.1.4 改善金属抗腐蚀特性
• 1.2 高温离子注入材料表面改性
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题研究内容、目的和意义
• 2 不同剂量氮离子注入 00Cr17Ni14Mo2 钢的表面成分
• 2.1 注入实验
• 2.1.1 试样制备
• 2.1.2 离子注入
• 2.2 实验结果
• 2.2.1 00Cr17Ni14Mo2 钢中氮浓度分布
• 2.2.2 氮离子注入00Cr17Ni14Mo2 钢的XPS 分析结果
• 2.3 本章小结
• 3 氮离子注入 00Cr17Ni14Mo2 钢的组织结构
• 3.1 实验
• 3.2 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 4 氮离子注入 00Cr17Ni14Mo2 钢的性能研究
• 4.1 实验
• 4.1.1 纳米压痕硬度实验方法
• 4.1.2 磨擦磨损性能测试的实验条件
• 4.1.3 腐蚀实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 纳米压痕硬度和弹性模量的测试与分析
• 4.2.2 摩擦磨损性能与注入剂量、热处理温度的关系
• 4.2.3 耐腐蚀性能与注入剂量、热处理温度的关系
• 4.3 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录