發(fā)布時(shí)間：2019-01-12 07:41

【摘要】：滲硼技術(shù)尤其是固體滲硼技術(shù),因其硼化物層具有優(yōu)越的性能,而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,成為工件表面強(qiáng)化最常用的方法之一。高溫滲硼后工件表面變形較大,滲硼層脆性較高,易剝落等問題大大限制了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。固體低溫多元滲硼在解決上述問題的同時(shí),提供了滲硼技術(shù)新的研究方向,但存在低溫共滲層較淺的難題。實(shí)驗(yàn)表明,在工件表面進(jìn)行預(yù)處理可以提高低溫共滲層深度,研究表面預(yù)處理對(duì)低溫共滲層生長的影響,對(duì)固體低溫多元滲硼的工業(yè)化應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以低中碳鋼為實(shí)驗(yàn)材料,采用快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓技術(shù)和高頻感應(yīng)加熱表面淬火工藝在其表面進(jìn)行預(yù)處理,采用硼鐵型共滲劑進(jìn)行表面預(yù)處理后硼-鉻-稀土低溫共滲實(shí)驗(yàn),研究表面預(yù)處理作用的機(jī)理,共滲工藝為600℃×6h和650＞x6h。利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(TFESEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、電子顯微硬度計(jì)(EMHT)、聲發(fā)射儀(AE)等測試儀器對(duì)表面預(yù)處理試樣表層微觀結(jié)構(gòu)、低溫共滲層組織結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。以45鋼為基體,在滲硼溫度為650℃、時(shí)間為6h工藝下,利用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化的最佳低溫共滲劑主要組分為氯化鑭為4%、氟硼酸鉀為5%和高碳鉻鐵為5%,其它組分按照原比例進(jìn)行縮放；并以此低溫共滲劑進(jìn)行共滲實(shí)驗(yàn)表明,可以得到連續(xù)、均勻、致密、較深的低溫共滲層組織。以晶粒尺寸變小為主線,以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和裂紋擴(kuò)展所需應(yīng)力為輔線建立理論模型,表征表面預(yù)處理試樣表層微觀結(jié)構(gòu)的形成；通過表征,發(fā)現(xiàn)表面納米化處理試樣表層存在約為60μm的塑性變形層,存在大量的位錯(cuò)、少量的孿晶以及非晶區(qū)；晶粒細(xì)化到納米量級(jí),對(duì)20鋼來說,不同時(shí)間表面納米化處理試樣表層晶粒尺寸約為90nm-100nm、72nm-80nm和24nm-30nm;對(duì)45鋼來說,分別為113nm-120nm、94nm-100nm和31nm-40nm。表面納米化處理后低溫共滲實(shí)驗(yàn)表明,表面納米化處理明顯改善了低溫共滲效果,低溫共滲層呈柱狀生長,方向與試樣表面垂直,硼齒致密、直長、連續(xù)、均勻,存在較少的封閉孔洞,與基體的結(jié)合牢固；與未表面納米化處理相比,低溫共滲層深度明顯增加,對(duì)20鋼來說,600℃共滲時(shí),不同時(shí)間表面納米化處理試樣低溫共滲層平均深度分別提高到1.9倍、3.3倍和4.9倍；650℃共滲時(shí),分別提高到1.4倍、1.8倍和2.8倍；對(duì)45鋼來說,600℃共滲時(shí),分別提高到1.4倍、1.7倍和2.5倍；650℃共滲時(shí),分別提高到1.4倍、1.6倍和2.6倍。表面淬火處理后低溫共滲實(shí)驗(yàn)表明,表面淬火處理能夠改善低溫共滲效果,但遜色于表面納米化處理；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,低溫共滲層無明顯的柱狀晶特征,與基體之間存在縫隙,表層存在少量孔洞；但連續(xù)性、均勻性和致密性較好,未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；低溫共滲層深度也得到增加,對(duì)20鋼來說,600℃共滲時(shí),不同時(shí)間表面淬火處理后試樣共滲層平均深度分別提高到1.4倍、1.6倍和2.9倍；650℃共滲時(shí),分別提高到1.3倍、1.6倍和1.9倍；對(duì)45鋼來說,600℃共滲時(shí),分別提高到1.3倍、1.7倍和2.0倍：650℃共滲時(shí),分別提高到1.2倍、1.3倍和1.5倍。稀土元素參與整個(gè)低溫共滲過程,起到了催滲作用,鉻元素改善低溫共滲層結(jié)構(gòu)的空間鍵絡(luò),降低其脆性；TFESEM及能譜分析表明,表面納米化處理試樣表層中存在的納米晶粒,參與了低溫共滲過程；Cr元素主要分布在低溫共滲層中,分布不均勻；La元素主要分布在柱狀晶頂端、晶界處以及孔洞處(表面淬火處理時(shí),分布在低溫共滲層和孔洞處),在孔洞處富集的較多；利用XRD分析表明,60min表面納米化處理(14s表面淬火處理)后45鋼650℃低溫共滲層的相組成主要為Fe2B相；采用兩種辦法測試的低溫共滲層脆性實(shí)驗(yàn)表明,表面預(yù)處理后低溫共滲層的脆性降低,聲發(fā)射信號(hào)峰值幾乎不存在,En與P基本呈線性關(guān)系,經(jīng)計(jì)算K值,低溫共滲層脆性較單元滲硼層分別降低了40%和37%；利用顯微硬度計(jì)測量發(fā)現(xiàn),共滲后試樣顯微硬度沿著垂直于表面方向由表及里先提高后降低,最外層較高,次外層最高,且硬度梯度較小。表面預(yù)處理作用機(jī)理主要表現(xiàn)在對(duì)活性原子的吸附和擴(kuò)散過程中；快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓技術(shù)進(jìn)行表面預(yù)處理后,因表面劇烈塑性變形導(dǎo)致變形層的晶粒拉長、嚴(yán)重變形、明顯細(xì)化,存在大量晶界(細(xì)晶的結(jié)果)、位錯(cuò)和高應(yīng)力區(qū),為后續(xù)硼-鉻-稀土低溫共滲過程中硼原子擴(kuò)散提供了更多的擴(kuò)散通道和輔助能量,起到了輔助催滲的明顯效果；高頻感應(yīng)加熱表面淬火工藝表面預(yù)處理后,表面淬硬層組織較基體(珠光體+鐵素體)組織明顯細(xì)化,硬度大幅度提高,而且淬硬層的內(nèi)應(yīng)力明顯升高,這些也為后續(xù)硼-鉻-稀土低溫共滲過程中硼原子擴(kuò)散提供了更多的擴(kuò)散通道和輔助能量,起到了較明顯的輔助催滲效果。對(duì)表面預(yù)處理前后硼原子擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能進(jìn)行計(jì)算表明,表面預(yù)處理后低溫共滲時(shí)硼原子擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)明顯提高,600℃共滲時(shí),分別為3.9×10-13m2/s、11.5×10-13m2/s、27.9×10-13m2/s; 650℃共滲時(shí),分別為7.3×10-13m2/s、12.9×10-13m2/s、33.1×10-13m2/s;表面預(yù)處理后低溫共滲時(shí)硼原子的平均擴(kuò)散激活能明顯降低,600℃共滲時(shí),分別降低了8986.12Jmol-1、17268.29Jmol-1、 22942.20Jmol-1;650℃共滲時(shí),分別降低了4994.47Jmol-1、8756.52Jmol-1、 15632.64Jmol-1;假定濃度分布共滲層生長模型分析可知,可以用模型解釋Fe2B相和α-Fe相界面處硼原子的吸附濃度變化,探討表面預(yù)處理對(duì)低溫共滲的作用機(jī)理。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG156.8
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本文編號(hào)：2407517