38CrMoAl钢空心阴极辅助离子渗氮工艺及理论研究

论文摘要

38CrMoAl钢是一种中碳合金钢,是工程中广泛使用的材料之一,有高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。38CrMoAl钢也是一种常用渗氮钢,一般要求表面硬度高、耐磨性好、同时具备较高的心部强度的渗氮零件普遍采用38CrMoAl钢。由于具有生产周期短、绿色无污染、节能省气、无需再加工、渗氮气氛和渗氮层组成可调节等一系列优点,离子渗氮已经在各方面性能要求都颇高的精细零件制作上有着不可替代的作用。在众多离子渗氮方式中,空心阴极辅助离子渗氮以其更节能、高效的优势在渗氮工艺中有着广阔的市场应用前景。本文通过对离子渗氮各因素对渗氮层影响的研究,根据实际离子渗氮设备情况,选取了包括渗氮时间、渗氮温度、试样所做电极方式作为影响因素,通过三因素三位级正交实验较为精准的探索出了38CrMoAI钢空心阴极辅助离子渗氮的最佳工艺方法。并对最佳工艺下所得渗氮试样的表面显微硬度、表面形貌、表面粗糙度、硬度梯度以及渗层厚度进行了详细检测。检测结果表明,本文所述最佳工艺条件下空心阴极辅助离子渗氮层显微硬度显著提高,比渗氮前试样提高了4～5倍；渗氮试样的表面粗糙度与渗氮前的抛光试样基本无异,在实际应用中无需再加工；渗氮层外表面有一层较明显的厚度约为3μm的白亮层,38CrMoAl钢最佳工艺离子渗氮层深度能达到300μm左右；渗氮层均由ε和γ′相组成。38CrMoAl钢空心阴极辅助离子渗氮层性能优异,能较好的满足实际工业需求。本文还从理论角度分析了离子渗氮过程中的各个物理化学反应,以及活性氮原子在离子渗氮过程中的间隙扩散和反应扩散过程。从热力学角度分析了γ′-α和ε-γ′相界面由渗氮试样表面向心部逐步推移的条件。针对工业上氮势定义的不足,从热力学角度推倒出了具有普遍意义氮的活度公式,具有一定的理论指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 38CrMoAl钢简介
• 1.2 离子渗氮的发展历程
• 1.3 离子渗氮简介
• 1.3.1 渗氮基础
• 1.3.2 渗氮过程中组织的形成及氮的扩散
• 1.3.3 等离子体概念
• 1.3.4 辉光放电
• 1.3.5 气体放电伏安特性曲线
• 1.4 离子渗氮的优点
• 1.5 离子渗氮的应用
• 1.6 空心阴极辅助离子渗氮技术
• 1.6.1 活性屏离子渗氮技术
• 1.6.2 空心阴极效应
• 1.6.3 空心阴极辅助离子渗氦
• 1.7 本文研究内容及意义
• 1.7.1 本文研究内容
• 1.7.2 本文研究意义
• 第2章 实验流程及测试分析方法
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 离子渗氮设备组成系统
• 2.1.2 本实验所用设备
• 2.2 实验流程
• 2.2.1 试样制备
• 2.2.2 渗氮流程
• 2.3 离子渗氮的影响条件
• 2.3.1 气体成分的影响
• 2.3.2 渗氮温度的影响
• 2.3.3 渗氮时间的影响
• 2.3.4 放电功率的影响
• 2.3.5 合金元素的影响
• 2.4 测试分析方法
• 2.4.1 金相组织的观测
• 2.4.2 显微硬度的测定
• 2.4.3 表面粗糙度分析
• 2.4.4 渗层深度的检测
• 第3章 38CrMoAl钢空心阴极辅助离子渗氮正交实验
• 3.1 正交分析原理简介
• 3.1.1 正交表的代号及含义
• 3.1.2 正交实验及正交表的特点
• 3.2 正交试验方案的设计步骤
• 3.3 38CrMoAl钢离子渗氮实验的因素位级表设计
• 3.4 正交试验结果及分析
• 3.4.1 正交实验结果
• 3.4.2 正交试验结果分析
• 第4章 最佳工艺条件下渗氮层质量分析
• 4.1 显微硬度分析
• 4.2 表面粗糙度分析
• 4.3 表面形貌分析
• 4.4 渗氮层显微组织分析
• 4.5 渗层深度检测
• 4.6 XRD检测
• 4.7 本章小结
• 第5章 38CrMoAl钢离子渗氮理论研究
• 5.1 离子渗氮过程
• 5.2 氨气的分解反应
• 5.3 表面、界面反应及氨的吸收、分解过程
• 5.4 氮的扩散过程
• 5.4.1 间隙扩散
• 5.4.2 反应扩散
• 5.5 氮势的热力学分析
• 5.5.1 纯氮渗氮的氮势
• 5.5.2 纯氨渗氮的氮势
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历