GCr15等离子体基B、C、N多元共注后组织及性能

论文摘要

本文采用等离子体基离子注入的方法,通过改变B、C、N三种元素的注入工艺参数在GCr15轴承钢基体上制备了表面改性层,以提高材料表面的硬度和耐磨性能。利用X射线光电子能谱（XPS）分析了表面注入层的成分和原子百分含量;并通过XRD测试分析了表面注入层的相结构。利用美国Nano Indenter XP型纳米压痕仪测量硬度和弹性模量;利用原子力显微镜对离子注入后试样表面形貌的观察;通过球-盘式摩擦磨损试验机研究了在干摩擦、常规实验室条件下表面改性层的摩擦学行为,并根据磨痕轮廓采用积分的方法计算粘着和磨损量,也对试样摩擦表面进行了扫描电子显微镜（SEM）观察分析。研究结果表明,离子注入后试样表面层成分及结构与离子注入工艺参数有密切相关。但注入层均没有新相产生,并以非晶态形式存在。一般的,B元素首先与O形成B-O键;接着B元素与N元素结合B-N键,当B元素较少时生成的是sp3杂化的B-N键,当B元素较多时生成的是sp2杂化的B-N键;然后B元素与C结合生成B-C键,当C含量相对少时生成的是类B4C的B-C键,当C含量相对多时生成的是类BC3.4的B-C键;最后多余的B元素之间形成B-B键。而N元素则首先与B元素形成N-B键,然后与C结合生成N-C键或N=C键。研究结果表明,离子注入后试样表面层力学性能及摩擦学性能与注入层成分及结构有密切的关系。一般的,生成的类B4C、BC3.4、sp3杂化的B-N、sp3杂化的C-N含量越高,表面层无序度越高,则试样表面层的弹性模量值和纳米硬度值越高,摩擦系数越高,发生磨粒磨损的倾向大;生成的石墨C=C、C-C、B-O、sp2杂化的B-N、sp2杂化的C-N、sp2杂化的C=N,则试样表面层的弹性模量值和纳米硬度值越低,摩擦系数越低,发生粘着磨损倾向大。研究结果表明,离子注入后试样表面层摩擦学性能与摩擦试验载荷及对摩擦副材料有关。随着载荷的增大,磨损机理由氧化磨损、粘着磨损过渡到磨粒磨损;对摩擦副与试样材料相同时,磨损机理偏向粘着磨损,而对摩擦副硬度较试样的高时,磨损机理偏向磨粒磨损。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.2 等离子体基离子注入技术
• 1.2.1 等离子体基离子注入基本原理
• 1.2.2 等离子体基离子注入基本特征
• 1.2.3 离子注入表面改性机理
• 1.3 离子注入后表面层的摩擦磨损
• 1.3.1 氧化磨损机理
• 1.3.2 粘着磨损机理
• 1.3.3 磨粒磨损机理
• 1.4 GCr15 离子注入表面改性研究进展
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第2章 材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试样的制备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 试验工艺
• 2.4 分析方法和手段
• 2.4.1 X 射线衍射分析
• 2.4.2 X 射线光电子能谱分析
• 2.4.3 原子力电子显微镜形貌分析
• 2.4.4 硬度和弹性模量测试
• 2.4.5 摩擦磨损试验
• 2.4.6 磨痕形貌观察
• 第3章 GCr15 等离子体基离子多元注入层的组织结构及成分
• 3.1 引言
• 3.2 注入层成分分析
• 3.2.1 离子注入B、C 后注入层成分分析
• 3.2.2 离子注入B、C、N 后注入层成分分析
• 3.3 注入层相结构分析
• 3.4 注入层成分形成机理
• 3.5 本章小结
• 第4章 GCr15 等离子体基多元离子注入层的纳米力学性能
• 4.1 引言
• 4.2 离子注入后试样力学性能
• 4.2.1 离子注入B、C 后试样力学性能
• 4.2.2 离子注入B、C、N 后试样的力学性能
• 4.3 离子注入B、C、N 强化机理
• 4.4 本章小结
• 第5章 GCr15 等离子体基多元离子注入层的摩擦磨损性能
• 5.1 引言
• 5.2 离子注入后试样表面形貌
• 5.3 离子注入后试样摩擦学性能
• 5.3.1 离子注入B、C 后试样摩擦学性能
• 5.3.2 离子注入B、C、N 后试样摩擦学性能
• 5.4 摩擦磨损试验后磨痕形貌
• 5.4.1 离子注入B、C 后试样磨痕形貌
• 5.4.2 离子注入B、C、N 后试样磨痕形貌
• 5.5 离子注入B、C、N 改善耐磨性机理
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢