强磁场和表面纳米化对纯铁渗碳的影响

论文摘要

渗碳工艺是目前工业上应用最广泛的金属材料表面强化技术之一,它可有效地提高工件表面的硬度、强度、抗腐蚀能力和抗摩擦磨损能力。对于普通工业渗碳来说通常渗碳温度为850～950℃,保温时间为4h以上,这样对设备的损坏和能源的消耗都很大。因此,本课题通过强磁场和表面纳米化,改变相应的渗碳条件,以达到降低渗碳温度,控制渗层厚度和表面碳含量的目的。本论文主要研究施加强磁场和表面纳米化对渗碳过程的影响。前者在不同强度磁场下对纯铁进行渗碳,后者对纯铁表面制备出纳米结构表层,再进行渗碳。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和金相观察等分析手段对渗层结构进行表征,并测试渗层硬度和分析表面碳含量。主要研究结果包括：1、纯铁在强磁场下渗碳（1）磁场方向和强度的变化,对渗层都有一定影响。当磁场方向和渗碳方向平行时,抑制渗层表面渗碳。磁场强度越大,对表层渗碳的抑制越明显,表层碳含量越低。当磁场方向和渗碳方向垂直时,促进渗碳。磁场强度越大,对表层渗碳的促进越明显,表层碳含量越高。（2）磁场影响渗层的主要原因是晶格受磁场影响发生畸变,碳在γ-Fe中的固溶度发生改变,碳化物沿磁场方向的择优生长因能量上有利而发生。2、表面纳米化纯铁渗碳（1）表面纳米化处理能够增强渗碳反应动力学,可有效的实现低温渗碳。当表面纳米化纯铁在750℃渗碳处理120mmin后,获得了渗碳层；而相同条件下处理的粗晶纯铁,未获得渗碳层。在770℃和780℃渗碳处理120min后,表面纳米化纯铁比粗晶纯铁表层碳含量明显提高,渗层厚度增加。（2）实现低温渗碳的主要原因在于纳米晶纯铁中存在着大量的晶界和位错等结构缺陷,容易在样品表层形成较高的碳含量,从而保证渗碳反应在低温下能够进行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 钢铁材料的渗碳工艺
• 1.2 强磁场金属材料热处理研究
• 1.2.1 强磁场下原子扩散理论的研究现状
• 1.2.2 磁场下的晶界研究
• 1.3 表面纳米化简介
• 1.3.1 表面纳米化方法
• 1.3.2 表面纳米化的性能
• 1.4 本课题的设想
• 第2章 样品的制备和实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验装置与工艺
• 2.2.1 磁场下的固体粉末渗碳装置以及工艺
• 2.2.2 表面纳米化球磨装置以及渗碳工艺
• 2.3 分析与测试方法
• 2.3.1 X-射线衍射（XRD）
• 2.3.2 金相组织观察
• 2.3.3 扫描电镜观察（SEM）
• 2.3.4 表层硬度实验
• 2.3.5 表层碳含量测定实验
• 第3章 纯铁在强磁场下渗碳研究
• 引言
• 3.1 强磁场对渗碳样品表层结构相组成和浓度的影响
• 3.1.1 渗碳表层XRD相组成分析
• 3.1.2 渗碳表层碳浓度分析
• 3.2 渗碳样品沿横截剖面的表征
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 铁原子磁矩有序原理
• 3.3.2 磁场和温度对于扩散系数的影响
• 3.3.3 晶界磁化原理
• 3.3.4 静磁能对相变自由能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 表面纳米化纯铁渗碳的研究
• 引言
• 4.1 表面纳米化纯铁的制备
• 4.2 表面机械研磨纯铁的组织结构特征
• 4.2.1 表面层截面形貌
• 4.2.2 纳米结构表层的特征
• 4.2.3 沿厚度方向的结构特征
• 4.3 MM纯铁的渗碳研究
• 4.3.1 MM纯铁渗碳表面层XRD相组成分析
• 4.3.2 渗碳表层碳浓度分析
• 4.3.3 MM纯铁渗碳剖面形貌分析
• 4.4 纳米纯铁的结构特点
• 4.5 纳米纯铁中碳原子的扩散
• 4.6 纳米纯铁中碳化物的形核与长大
• 4.6.1 表面碳化物的形成与生长
• 4.6.2 晶界和界偶处的形核
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献