2Cr13钢等离子体稀土氮碳共渗工艺探索与组织性能研究

论文摘要

本文针对2Cr13马氏体不锈钢常规渗氮处理耐蚀性下降和硬度梯度过陡的问题,探索了低温等离子体稀土氮碳共渗制备耐磨耐蚀改性层及中温（560°C）处理制备平缓硬度梯度改性层的工艺。并采用OM、SEM、TEM、XRD和EDS对渗层的组织结构及元素分布进行了观察和分析;同时,对共渗层的显微硬度、耐磨性及耐蚀性进行了测试。低温等离子体氮碳共渗工艺探索结果表明,当处理温度为430°C时即无CrN相析出,RE-C和NH3的较佳流量分别为0.05 L·min-1和0.4 L·min-1;稀土具有显著的催渗效果,在430°C等离子体氮碳共渗8h过程中,添加稀土后渗层的厚度增加了约53%。XRD及TEM结果都表明,低温等离子体渗氮过程中有过饱和含氮马氏体相生成,本文对该相的结构和分布进行了深入分析;根据相组成的变化,可将渗层沿层深方向分为三层:表层为ε-Fe2-3N化合物层,次表层由α′N、ε-Fe2-3N和γ′-Fe4N相组成,第三层由α’N-expanded和α′N相构成;并发现渗层晶粒在氮化过程显著细化,且在渗层局部发现了非晶的存在。硬度测试结果表明,低温处理的渗层显微硬度约为1350HV,且在层深方向硬度随渗层相结构变化而同步起伏;耐磨性测试表明,低温处理后材料的摩擦系数和比磨损率大幅下降,材料的耐磨性得到了大幅提高;电化学腐蚀测试表明,低温处理过程中添加稀土后材料的自腐蚀电位和点蚀电位得到了大幅提高,钝化区变宽,材料的耐蚀性得到了提高。中温（560°C）等离子体稀土氮碳共渗结果表明,降低表面氮原子浓度有利于渗层硬度分布的平缓化,且该过程与碳的作用有关;并通过建立碳氮相互作用模型对硬度梯度平缓化的机制及影响因素进行了分析讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 离子渗氮研究概况
• 1.2.1 等离子体渗氮
• 1.2.2 Fe-N及Fe-N-C相图
• 1.2.3 等离子体渗氮机制
• 1.2.4 等离子体渗氮最新进展
• 1.2.5 等离子体稀土氮碳共渗
• 3 马氏体不锈钢表面改性'>1.3 2Crl₃马氏体不锈钢表面改性
• 1.3.1 激光表面改性
• 1.3.2 离子注入
• 1.3.3 化学热处理
• 1.4 研究目的及内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 热处理设备
• 2.2.2 渗氮及共渗设备
• 2.3 试验工艺方案
• 2.3.1 预处理工艺方案
• 2.3.2 温度对等离子体渗氮影响
• 2.3.3 氨气流量对等离子体渗氮影响
• 2.3.4 稀土添加量对等离子体氮碳共渗影响
• 2.3.5 等离子体稀土氮碳共渗动力学
• 2.3.6 等离子体稀土氮碳共渗平缓硬度梯度层制备方案
• 2.3.7 相关探索工艺
• 2.4 共渗层组织结构分析
• 2.4.1 金相组织观察
• 2.4.2 X射线衍射分析
• 2.4.3 透射电镜观察
• 2.4.4 扫描电镜观察
• 2.5 共渗层性能测试
• 2.5.1 显微硬度分布
• 2.5.2 摩擦磨损性能
• 2.5.3 抗腐蚀性能
• 3 钢低温等离子体稀土氮碳共渗工艺探索'>第3章 2Crl₃钢低温等离子体稀土氮碳共渗工艺探索
• 3.1 预处理工艺
• 3.2 温度对等离子体渗氮的影响
• 3.3 氨气流量对等离子体渗氮影响
• 3.4 稀土添加量等离子体渗氮碳共渗影响
• 3.5 低温等离子体稀土氮碳共渗动力学
• 3.6 本章小结
• 3 钢低温等离子体稀土氮碳共渗层表征'>第4章 2Crl₃钢低温等离子体稀土氮碳共渗层表征
• 4.1 共渗层组织结构与元素分布
• 4.1.1 共渗层中元素分布
• 4.1.2 共渗层相结构
• 4.1.3 共渗层组织结构的TEM观察
• 4.1.4 低温共渗层形成机制
• 4.2 共渗层性能表征
• 4.2.1 共渗层中显微硬度分布
• 4.2.2 共渗层摩擦磨损性能与磨损机制
• 4.2.3 共渗层腐蚀性能表征与腐蚀机制
• 4.3 本章小结
• 3 钢等离子体稀土共渗低硬度梯度层制备与形成机理'>第5章 2Crl₃钢等离子体稀土共渗低硬度梯度层制备与形成机理
• 5.1 低硬度梯度共渗层制备与表征
• 3 流量对于共渗层硬度分布的影响'>5.1.1 NH₃流量对于共渗层硬度分布的影响
• 5.1.2 低硬度梯度共渗层中元素分布
• 5.1.3 低硬度梯度共渗层相结构
• 5.2 低硬度梯度共渗层形成机制
• 5.3 低硬度梯度共渗层中N、C相互作用模型
• 5.3.1 表面氮浓度对硬度梯度影响
• 5.3.2 温度对硬度梯度影响
• 5.3.3 保温时间对硬度梯度影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢