00Cr12Ni9Mo4Cu2Ti马氏体时效不锈钢的离子渗氮及其组织性能研究

论文摘要

超高强度马氏体时效不锈钢不但具有良好的塑性和优异的断裂韧性,同时还具有良好的的可加工性能、焊接性能、优秀的耐腐蚀性能和耐磨性能,现在已经被广泛地应用于医疗器械、航空航天和核能等重要领域。近年来随着马氏体时效不锈钢在汽车金属带式无级变速器上的应用推广,使得该钢的应用前景变得更加广阔。金属带不仅要求材料具有良好的韧性,同时也要求材料具有很好的耐磨性。因此如何进一步提高马氏体时效不锈钢的耐磨性,延长该钢的服役寿命,就具有很好的工程意义和经济价值。本研究正是从这个问题出发,期望通过采用离子渗氮处理的方法来提高该钢的耐磨性,延长使用寿命。本文熔炼了一种00Cr12Ni9Mo4Cu2Ti马氏体时效不锈钢,并对经固溶处理和冷加工变形的试样进行了不同温度、时间下的离子渗氮处理,通过金相观察、维氏硬度测试、X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）、磨损实验和盐雾实验,研究了不同离子渗氮温度、时间对氮化层显微组织结构、硬度、耐磨性和耐腐蚀性能的影响。研究结果表明材料经离子渗氮处理后表面能形成一层厚度达40～100μm的氮化层。材料在400℃离子渗氮4h后,氮化层主要有氮离子浓度过饱和的αN相（扩大马氏体相）组成;当材料在500℃进行离子渗氮处理时,氮化层主要由αN相、γ’-Fe4N相、ε相组成,并有大量的CrN相形成:当渗氮温度高于600℃时,ε相、CrN的含量继续增加,γ’-Fe4N相略有减少,αN相几乎完全分解。随着渗氮时间的增加ε相、CrN的含量略有增加。经离子渗氮处理后的试样的表面硬度和耐磨性比未经渗氮的试样都有明显的提高。材料在500℃离子渗氮4h后表面硬度达到最高,为1350HV50g。随着渗氮温度与时间的变化,显微硬度成抛物线状变化。结合XRD、EDS数据,硬度的增加与αN相、γ’相、ε相和CrN等硬化相的生成有关;硬度的下降与高温脆性相的生成以及组织粗化等有关。材料的耐磨性随着渗氮温度的增加成抛物线状变化,随着渗氮时间的增加,材料的耐磨性不断提高,但是耐磨性增加的幅度逐渐减弱。材料经离子渗氮处理后表面的耐腐蚀性能与未经渗氮的试样相比均有所下降。试样的耐腐蚀性能随着渗氮时间和渗氮温度的增加而下降,耐腐蚀性能的下降与CrN的析出导致的基体出现的“贫铬”现象以及第二相粒子的弥散析出有关。材料在经离子渗氮处理后渗氮层截面不同程度的有裂纹生成,这些裂纹大都在马氏体晶界形成,在残余奥氏体相上基本无裂纹形成。裂纹的形成与材料内部的残余内应力以及第二相颗粒的弥散析出有关。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 马氏体时效不锈钢的发展与现状
• 1.2.1 马氏体时效钢的发展与现状
• 1.2.2 马氏体时效不锈钢的发展现状
• 1.3 离子渗氮
• 1.3.1 离子渗氮的定义
• 1.3.2 离子渗氮的发展简介
• 1.3.3 离子渗氮技术的发展趋势
• 1.4 离子渗氮机理及组织结构
• 1.4.1 离子渗氮机理
• 1.4.2 渗氮层显微组织概述
• 1.4.3 渗氮层中的氮化相
• 1.4.4 合金元素在氮化中的作用
• 1.5 论文研究的目的、意义和内容
• 第2章 离子渗氮样品制备及实验方法
• 2.1 实验材料及处理
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 预处理
• 2.1.3 试样的离子渗氮
• 2.2 分析测试方法
• 2.2.1 金相组织观察
• 2.2.2 维氏硬度测试
• 2.2.3 X射线衍射分析
• 2.2.4 直读光谱仪
• 2.2.5 场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能谱分析（EDS）
• 2.2.6 磨损性能测试
• 2.2.7 盐雾腐蚀实验
• 第3章渗 氮层微观组织分析
• 3.1 前言
• 3.2 显微组织观察与分析
• 3.3 渗氮层的XRD与EDS分析
• 3.4 渗氮层中裂纹形成分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 材料经渗氮后的性能分析
• 4.1 渗氮层硬度分析
• 4.1.1 硬度测试方法简介
• 4.1.2 实验过程及分析讨论
• 4.2 材料耐磨性分析
• 4.2.1 磨损简介
• 4.2.2 磨损实验分析
• 4.3 渗氮后材料耐腐蚀性能测试
• 4.3.1 盐雾腐蚀简介
• 4.3.2 盐雾实验标准及评级
• 4.3.3 实验结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献