毕业设计（论文）-低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究.doc

郑州大学毕业设计（论文）题目：低碳钢表面渗硼层在低应力条件下耐磨性能的研究Studyonwearresistanceofboronizinglayeronmetalsurfaceoflowcarbonsteelatlowstressconditions学生姓名指导教师专业材料科学与工程（成型）学院材料科学与工程学院2010年6月3日I摘要本文研究了低碳钢表面的渗硼工艺及渗层在低应力条件下耐磨性能。研究采用的工艺变量为渗硼时间、渗硼温度和渗剂配方，试验所用的母材材料为20钢和40Cr。渗剂配方由供硼剂、活化剂、还原剂和填充剂组成。本文共选用四种工艺来进行渗硼实验。通过对试验结果进行分析，发现渗硼之后材料的耐磨性能大大提高。在不同条件下，渗硼层的厚度、硬度和脆性也有很大差别。渗硼层主要是是由FeB和Fe2B两相组成，且显微硬度达到1700HV，具有很高的硬度和耐磨性。同时发现渗层硬度梯度对材料的使用寿命也有很大的影响，降低硬度梯度对材料有重要的意义，可以通过对渗后试样的热处理来减小硬度梯度和改善材料的组织，提高材料的性能。关键词：表面渗硼；工艺；耐磨性能IIAbstractInthispaper,theboronizingprocessandwearresistanceofboronizinglayerunderlowstressisstudied.Thisarticleusesboronizingtime,temperatureandpenetrationformulaasprocessvariables,anduses20steeland40Crassamplematerial.Penetrationformulaformedbytheforboron,activator,reducingagentandfillers.Fourtypestechnologyareusedtoconductboronizingexperiments.Byexperimentalanalysis,foundthatthewearresistanceincreasedgreatlyafterboronizing.Thethickness,hardnessandbrittlenessofboronizinglayeraregreatdifferent.Boronizinglayerismainlybythetwo-phaseFeBandFe2B,thehardnessofboronizinglayerreaches1700HV,andithashighhardnessandwearresistance.Thehardnessgradienthasagreatinfluencetothelifetimeofmaterial,so,howtoreducethehardnessgradientisimportant.Wecanreducethehardnessgradientandimprovetheorganizationofmaterialsbyheat-treatmenttoimprovethematerialperformance.Keywords：surfaceboronizing；technology；wearresistancei目录摘要.IABSTRACT.II目录.I1概述.11.1前沿.11.2磨损.11.2.1粘着磨损.21.2.2接触疲劳磨损.21.2.3腐蚀磨损.21.2.4磨料磨损.21.3耐磨性.31.4表面渗硼工艺.41.4.1渗硼工艺简介.41.4.2渗硼工艺目的.41.4.3渗硼工艺分类.41.4.4渗硼过程中的化学反应.51.4.5渗硼层的组织与性能.61.4.6渗硼工艺的优缺点.71.5选题意义和需要解决的问题.71.5.1选题意义.71.5.2需要解决的问题.72实验内容.92.1渗硼工艺.92.1.1母材的选取.92.1.2渗剂配方的选用.92.1.3渗前准备.92.1.4混装与装罐.102.1.5渗硼过程控制.102.1.6渗后试样检查与缺陷分析.102.2试样的制作.102.2.1试样的选取.102.2.2制作金相试样.112.2.3金相观察.122.2.4显微硬度的测量.123实验结果与分析.133.1渗硼层的显微组织观察.133.2显微硬度分析.143.2.1显微硬度.143.2.2渗硼温度对渗硼层显微硬度的影响.16ii3.2.3保温时间对渗硼层显微硬度的影响.163.3渗层的耐磨性.173.4渗层组织的缺陷.183.4.1内裂纹.183.4.2渗层厚薄不均.193.5渗硼层的脆性.193.5.1渗硼层本质脆性.193.5.2渗硼层中致脆组织形态.203.5.3渗硼层中的致脆碳化物.204结论.21参考文献.22附件1：.23附件2:.24附件3：.25附件4：.26附件5：.27外文翻译.28外文原文.36致谢.4511概述1.1前沿金属材抖与其它物体接触并产生相对运动和摩擦时，在接触应力作用下，金属表面的部分物质便会发生人们所不希望的脱落或转移，这种现象称为金属的磨损。磨损是一种非常有害的现象,它将造成巨大的经济损失和自然资源的浪费。据统计资料，在失效的机械零件中，有75%80%属于磨损造成，供给机械的能量有大约30%50%消耗于摩擦和机械零件的磨损过程中。苏联机器制造产品因磨损所造成的损失每年达100-120亿卢布,美国每年因磨损所造成的经济损失估计为1000亿美元,而西德估计为100亿马克。可见，研究金属磨损，提高金属的耐磨性和发展耐磨合金具有何等重要的意义。有资料表明，我国用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备的易损件，每年消耗百万吨以上。然而普通材料的耐磨性差，开发、研制、推广新型抗磨材料和先进的耐磨铸件生产工艺具有重要意义。耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用，耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占85%。耐磨材料种类繁多，当前使用最为普遍的是金属耐磨材料，然而一般的金属耐磨材料在某些工作环境下也达不到要求，必须在整体强化的基础上采取措施进一步强化其工作表面，这就是所谓的表面技术。表面改性是表面技术里的一个分支，即采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。化学热处理是表面改性中的一种方法，它利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表面的一种热处理工艺。基本工艺过程是：将工件置于含有某种化学元素的介质中加热保温，使活性介质通过分解，使某种元素渗入钢铁表面的原子向金属表面扩散渗入形成一定厚度的扩散层，然后以适当的方式冷却，从而改变金属表面的化学成分和组织结构，赋予金属表面新的物理、化学及机械性能。金属表面渗硼技术是提高金属表面耐磨性能非常便捷的一种工艺方法。1.2磨损磨损是一种伴随摩擦产生的表层材料微量损失现象，它是一个十分复杂的表面微观破坏过程，它不仅取决于金属材料本身所固有的成份，组织和性能，而且还受许多外界因素所影响。磨损性能实际上是一个系统的性能，是金属本身，相配材料和工作条件的综合表现。磨损会降低机械设备的运动精度，会缩短机器的使用寿命，甚至会使机器完全丧失工作能力。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损理论磨损工矿和不断发展抗磨材料是国内外同行研究的热点和难点。磨损的分类方法很多，目前为大多数人公认的乃是按磨损机理进行的分类，即磨料磨2损、粘着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损。据估计，在工程实践中，磨料磨损约占全部磨损现象的50%，是造成金属磨损的一个最普遍、最重要的原因。为此，本文着重介绍磨料磨损的基本概念，磨损机理，控制磨料磨损的因素和一些常用的抗磨料磨损的耐磨合金，为进一步研究磨料磨损和提高磨损件的寿命提供一些线索。1.2.1粘着磨损粘着磨损也称咬合磨损或摩擦磨损，粘着磨损是在法向加载下，两物体接触表面相对滑动时产生的磨损。磨损产物通常为小颗粒状，从一个物体表面粘附到另一个物体表面上，然后在继续的摩擦过程中，表面发生断裂，有时还发生反粘附，即被粘附到另一个表面上的材料又回到原来的表面上，这种粘附反粘附往往使材料以自由磨屑状态脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成，粘着以后的断裂分离，并不一定在最初的接触表面产生。1.2.2接触疲劳磨损接触疲劳磨损是一种很常见的磨损形式，主要发生在承受周期性的接触载荷或交变应力的机器零件表面上，如滚动轴承，车轴，齿轮，钢轨等，这种形式的磨损也叫做接触疲劳磨损。疲劳磨损的定义：当两个接触体相对滚动或滑动时接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料剥落下来的磨损过程；1.2.3腐蚀磨损腐蚀磨损是一种极为复杂又很常见的磨损形式，它是材料受腐蚀和磨损综合作用的磨损过程。腐蚀磨损最常见的是氧化磨损，氧化磨损的实质是在金属表面与气体介质发生氧化反应，生成单分子氧化膜，厚度逐渐增加，但增长速度岁时间推移，按指数规律而减少，多数金属表面氧化膜厚度为10-10cm，有些氧化膜相当硬，若在滑动过程不再增加或不被磨去，足以起到保护作用，但氧化