新型含铌渗氮钢的组织与性能研究

论文摘要

长期以来,我国国家标准中只有唯一一种专用渗氮钢38CrMoAl, 38CrMoAl存在以下不足:强度和热稳定性满足不了高要求基体支撑强度要求;淬透性不高,热处理温度相对较高;由于含铝铁素体稳定性高,不易溶入奥氏体中,所以保温时间要比一般合金结构钢长0.5倍左右等,远不能满足高标准零件的要求。而欧标EN10085中就包含了9种专用渗氮钢,新型高性能专用渗氮钢在我国亟待开发。本文在对比国内外学者开发研究渗氮钢的合金成分特点后,提高Si、Mn含量,以提升渗氮钢淬透性及耐热性能,Cr、Mo为主要合金化元素,V、Nb作为微合金元素加入,控制钢中S、P含量和有害元素含量,以提高渗氮件的力学性能和渗氮工艺性能,发挥微合金元素的作用,研发出细晶粒新型渗氮钢。深入研究了新材料的相变特性、宏观力学性能、热加工性能及渗氮性能,利用相图软件进行模拟计算,并使用OM、SEM、TEM、EDS、3DAP等微观分析手段,对新型渗氮钢BTHJ钢的性能和微观机理进行了深入的分析研究,得出了以下结论:1、BTHJ钢在冷速为0.1～0.3℃/s时得到粒状贝氏体,马氏体临界冷速为3℃/s,在0.1℃/s以下是珠光体与贝氏体的混合组织。利用JMA公式求得其贝氏体转变激活能为54.5KJ/mol。等温转变时,贝氏体转变表现出更加明显的不完全转变特征,BTHJ钢的贝氏体转变温度在425℃～Ms之间。珠光体等温转变动力学可用Johnson-Mehl公式x = 1-exp[-K （T ）tn/dm]表示。2、BTHJ钢淬透性较高,在880℃～960℃内均能淬硬,并且在900℃～960℃其淬透半径超过了100mm;晶粒度测试表明,BTHJ钢在880℃～940℃淬火时,其晶粒度在9级以上;与38CrMoAl相比,BTHJ钢的淬透性有大幅度的提升,并且在较宽淬火温度内,晶粒还是非常细小的。3、BTHJ钢具有较好强度、塑性、韧性,其综合力学性能明显优于38CrMoAl钢。经光学显微镜和扫描电镜观察,BTHJ钢调质后组织均匀,碳化物细小弥散,在个别处发现少量未溶Nb的碳化物;通过透射电镜观察,BTHJ钢调质后的马氏体板条宽度在150nm左右,在基体上可以观察到多种形态的碳化物,这些碳化物主要含Cr、Mn、V等元素而含Mo碳化物很少,这表明大部分Mo溶入基体,提高了材料的抗回火软化能力。3DAP研究结果知,淬火态的BTHJ钢合金元素基本固溶在基体中,在回火后,Cr、Mn、V等合金元素形成M2C型细小碳化物,而Mo、Nb元素还是基本固溶在基体中且分布均匀,有效起到了固溶强化作用,提高其热强性。4、经过550℃保温60小时后,BTHJ钢硬度从41.4HRC降至37.6HRC,表现出良好的热稳定性,由光学显微镜和扫描电镜观察可知,在热稳定后基体发生了一定程度的回复再结晶,基体中析出碳化物明显增多,由碳化物萃取结果可知,BTHJ钢热稳定前后碳化物类型并没有发生明显的变化,主要有M23C6、M7C3、M3C型三种碳化物,结合透射电镜观察可知,材料硬度的下降主要由碳化物的粗化以及Mo元素的析出引起的。5、BTHJ钢在1100℃,0.01 s-1的变形条件下发生了明显的动态再结晶,随着变形温度的降低,变形速率的增加,变形抗力逐渐增加,动态再结晶越来越不明显;通过计算得到BTHJ钢的热变形方程为: （ε|&） = 2. 42e54[sinh（0.0065σ）]7.26exp（-591570/RT）;利用加工硬化率确定了BTHJ钢的在各变形条件下的动态再结晶临界条件,通过计算得出临界应变随lnZ的增大而增大,对其进行线性拟合得到他们拟合函数关系为εc = 0.01366lnZ-0.53.6、BTHJ钢渗氮后,表面最高硬度在950HV以上,离子渗氮试验表明,BTHJ钢能在较短时间内得到较深渗层,而气体渗氮表明,在较长时间渗氮后,BTHJ钢和38CrMoAl钢渗层深度相差不大,但是由于BTHJ钢晶粒细小,在渗氮后并不会出现脉状组织等缺陷,离子渗氮和气体渗氮均表明,BTHJ钢渗层硬度梯度平缓,从而能提高残余应力层的稳定性,提高其疲劳寿命。综合来说,BTHJ钢具有更佳的渗氮性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 渗氮钢的分类
• 1.3 渗氮钢的合金化设计
• 1.3.1 氮化工艺性
• 1.3.2 钢的调质工艺问题
• 1.4 本文研究的主要内容及意义
• 第二章 新型渗氮钢 BTHJ 合金成分设计及产品试制
• 2.1 合金成分设计
• 2.1.1 欧洲三种渗氮钢理论计算
• 2.1.2 BTHJ 钢理论计算
• 2.1.3 不加Nb 成分计算
• 2.2 BTHJ 钢的试制
• 2.3 本章小结
• 第三章 新型渗氮钢 BTHJ 相变特性研究
• 3.1 试验方法
• 3.1.1 相变点测试
• 3.1.2 过冷奥氏体连续冷却转变（CCT）曲线
• 3.1.3 过冷奥氏体等温转变（TTT）曲线
• 3.2 试验结果
• 3.2.1 相变点
• 3.2.2 BTHJ 钢连续冷却转变
• 3.2.3 BTHJ 钢连续冷却过程中贝氏体转变特性分析
• 3.2.4 BTHJ 钢过冷奥氏体等温转变曲线
• 3.2.5 BTHJ 钢珠光体等温转变动力学研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 新型渗氮钢 BTHJ 钢力学性能及强韧性机制研究
• 4.1 淬透性
• 4.2 晶粒度
• 4.3 力学性能
• 4.3.1 试验方法
• 4.3.2 试验结果
• 4.3.2.1 力学性能及与38CrMoAl 钢的对比
• 4.3.2.2 退火、淬回火金相组织观察
• 4.3.2.3 BTHJ 调质后组织透射电镜观察
• 4.3 淬火态和调质态三维原子探针表征
• 4.3.1 920℃淬火态三维原子探针表征
• 4.3.2 920℃淬火+500℃回火2h 三维原子探针表征
• 4.3.3 920℃淬火+600℃回火2h 三维原子探针表征
• 4.4 热稳定性
• 4.4.1 试验方法
• 4.4.2 试验结果
• 4.4.2.1 硬度随时间变化曲线
• 4.4.2.2 热稳定试验后金相组织观察
• 4.4.2.3 电解萃取碳化物
• 4.4.2.4 热稳定后组织透射电镜观察
• 4.5 本章小结
• 第五章 BTHJ 钢热加工模拟
• 5.1 试验方法
• 5.2 试验结果
• 5.2.1 应力-应变曲线
• 5.2.2 热变形方程的建立
• 5.3 不同热变形条件下的组织演变
• 5.3.1 相同应变速率下的金相组织
• 5.3.2 相同变形温度下的金相组织
• 5.4 BTHJ 钢动态再结晶临界条件的确定
• 5.5 结论
• 第六章 BTHJ 钢渗氮性能研究
• 6.1 试验方法
• 6.2 试验结果与分析
• 6.3 零件实物渗氮分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢