（材料加工工程专业论文）碳钢表面中温双辉等离子渗铬合金化及渗层中碳迁移的研究.pdf

太原理i ：人学博+ 研究生学位论文 碳钢表面中温双辉等离子渗铬合金化 及渗层中碳迁移的研究 摘要 模具是材料塑性加工中必不可少的工装，中高碳钢是制造模具的 廉价材料。模具多数是因表面耐磨性、抗氧化性或耐蚀性差而失效的， 因此，模具的表面强化技术显得非常重要，但强化层易剥落、处理温 度高、存在污染等问题直在困扰着现有技术的应用。 二十多年来，双辉等离子渗金属技术得到长足的发展，但在中高 碳钢表面渗金属还没有得到全面、深入的研究。尤其是当渗入元素为 强碳化物形成元素时，必须考虑基材中碳元素的作用、影响及其利用。 在高含碳量的合金表面渗c r ，基材中的碳对渗层的形成有何影响? 反 过来，c r 的渗入对基材中的碳分布又有何影响? 等等。这些看似简单 的问题，实际上对渗铬技术的发展与应用有着重要的理论指导作用。 论文将渗铬作为表面强化手段，对模具用碳素钢进行表面硬化， 提高抗磨、抗蚀和高温抗氧化性能。特别是，对一些基体性能要求不 高、而只要求表面高耐磨的工件，在表面直接形成高硬层，是一条很 有创意与应用价值的思路，双辉技术在这方面还未开展研究工作。 借助离子轰击行为对渗金属效果的强化作用，在碳钢表面进行中 温( 8 0 0 9 5 0 0 c ) 双辉等离子渗金属处理，可以减少工件变形，不恶 化基体组织和性能，对增强双辉等离子渗金属技术的实用性、拓宽c 应用领域有重要意义。 沦文针对上述问题，选择了碳钢表面中温双辉等离子渗铬合金化 及其对基体的影响为研究课题。主要围绕8 8 0 9 0 0 。c 温度下的中高碳 钢表面双辉等离子渗铬强化技术的应用基础问题，选取4 5 、5 5 、t 8 和t i o 钢作为试验材料，采用双辉等离子渗金属技术，进行表面渗铬 合金化基础研究、理论分析和应用研究。 太原理【：人学博十研究生学仳沦文 扩散原子理论认为，工件的温度对合金渗层的生长及基体性能的 影响很大，准确地测量出工件的温度便显得非常重要。在双辉等离子 渗金属的过程中，工件置于真空室内的等离子体中，并且在工件上加 有负偏电压，准确测温有很多困难需要解决。因此，论文首先在双辉 等离子渗金属温度测量方面作了一些实验研究工作，得出了一些光电 高温计能够准确测量工件真实温度的办法： 采用w d l - 3 l 型光电高温计测量工件温度比热电偶法简单易行，但 在使用前，均应对其进行比对标定。 在采用常规工艺对碳钢表面双辉等离子渗c r 的稳态阶段，光电高 温计需分别使用0 3 1 0 问不同的e 值来测量8 0 01 0 0 0 问不同的 工件温度，这样，指示值与工件真实温度才相吻合。 炉内气压的高低对光电高温计的温度测量精度影响很大，在不同 气压的渗铬合金化工艺中，光电高温计应选用不同的e 值来进行测温。 碳钢表面进行双辉等离子渗铬合金化，采用不同的工艺参数可得 到单一沉积层、扩散层和渗镀层等与粉末渗铬不同形式的渗铬合金层。 渗镀层是中高碳钢表面渗铬常见的合金层形式，由纯铬沉积层、铬碳 化物层和铬铁素体层三层构成。 论文借助于双辉等离子渗金属技术可实时调整某些工艺参数的优 势，通过改变渗入金属元素吸附在基材表面上的浓度，得到了碳钢表 面渗铬形成单一铬扩散层和铬沉积层的工艺条件。实现了通过控制宏 观工艺参数来控制渗金属合金层组织。 论文归纳整理了大量前期实验结果，针对碳钢表面双辉等离子渗 铬合金层特点，提出了以渗铬合金层完整性、棱角塌陷皮、渗铬合金 层厚度、铬沉积层厚度、铬碳化合物层厚度、基体脱碳层厚度及基体 晶粒长大程度为考核内容的渗铬合金层质量的评价指标，建立了碳钢 渗铬合金层的质量评价标准。为鉴定碳钢表面渗铬合金化效果提供了 评价手段。 以试样渗铬合金层中铬碳化台物层厚度最厚、铬沉积层和基体脱 碳层厚度最薄为追求目标，论文优化出在8 8 0 9 0 0 。c 的渗铬温度下的 太原理l 人学博十研究生学何论文 碳钢表面双辉等离子渗铬合金化最佳工艺参数：极间口e = 2 0i l l m ，源极 电压= 一8 0 0 v 、工件电压在一2 8 0 v 一3 5 0 v 范围内、氩气压= 4 5 p a 和保 温时间= 3 h 。 论文系统地对在8 8 0 9 0 0 。c 的温度下，采用最佳工艺参数在碳钢 表面得到的双辉等离子渗铬合金层成分及组织进行了检测。用德国产 g d a 7 5 0 型辉光放电分析仪及国产k y k y 1 0 0 0 b 型扫描电镜s e m 进行微 区逐点扫描，测定渗铬合金层的f e 、c r 、c 浓度沿截面的分布；用德 国产a x i o v e r t 2 5 型图象分析仪，观察试样渗铬合金层的显微组织和形 貌，测量渗铬合金层的厚度；在r i g a k ud m a x 2 5 0 0 型x 射线衍射仪上， 进行试样渗铬合金层的物相分析。 不论是在中碳钢上，还是在高碳钢上，渗铬合金层的铬浓度均随 深度变化，由表及里依次降低，形成一种梯度合金材料，其最表层铬 浓度可高达9 5 以上。铬浓度分布曲线呈开口向下的右半抛物线形状。 中碳钢的渗铬合金层的厚度可达4 5um 以上，高碳钢的渗铬合金层的 厚度可达6 0 u1 t l 以上。铬沉积层是纯铬并混有少量的( f e ，c r ) 。c 。相， 铬碳化合物层主要由( f e ，c r ) ，c 。和( f e ，c r ) 。，c 。相组成，并形成致密的 连续分布；铬铁素体层是含铬的珠光体和渗碳体组织。 论文对在8 8 09 0 0 的温度下，采用最佳工艺参数在碳钢表面得 到的双辉等离子渗铬合金层性能进行了检测。在日本产m - 4 0 0 一h l 型显 微硬度计上，测定渗铬合金层的硬度分布；采用国产w s 一9 7 型划痕仪， 对沉积层与铬碳化合物层问的结合力进行测定。在国产m l 一1 0 型磨料 磨损实验机上进行磨损试验对比，检验渗铬合金层的耐磨性的提高。 在s x 一4 1 0 型箱式电阻炉中进行了总时间为1 0 0 h 的循环氧化实验，通 过比对渗铬和未渗铬处理的试样在高温静态空气中的循环氧化行为， 来研究表面渗铬对碳钢抗氧化性能的改善。 碳钢渗铬后，表层的最高硬度出现在铬碳化合物层，维氏硬度高 达h v1 2 0 0 h v1 4 2 0 ，渗铬合金层下出现了贫碳层，但其硬度仍然高 于基体硬度。厚度小于6um 的沉积层不会剥落，刁i 影响其与铬碳化 合物层的良好结合。碳钢表面双辉等离子渗铬合金化后，与常规的淬 太原理r 人：学博十研究生学f 节论文 火+ 回火工艺相比，表层的耐磨性可提高5 6 倍；7 5 0 xl o o h 的循 环氧化试验表明：抗氧化性能可提高1 0 倍以上，效果明显。 通过对碳钢表面双辉等离子渗铬物理过程的微观分析，论文将整 个合金化过程划分为四个分过程。利用铬碳化合物层和沉积层厚度随 渗铬时间的变化曲线、x 射线衍射图谱及铬浓度分布，分析了渗铬合 金层的生长规律。提出了吸附在试样表面的铬先扩散，后沉积的渗层 生长模式。 在双辉等离子渗c r 处理时，当碳钢试样表面受到强烈溅射时，可 能导致基体及渗铬合金层脱碳。论文实验得出了中高碳钢基体及渗铬 合金层脱碳与否的工艺条件。并运用晶体缺陷形成理论，对上述工艺 条件进行了理论验证。 碳钢表面进行双辉等离子渗c r 处理时，c r 元素的渗入使表层中 碳的化学位降低，引起了碳从基体向渗层的迁移，基体出现贫碳区， 渗铬合金层出现富碳区。论文利用渗铬合金层中碳浓度分布与渗铬时 间的变化曲线描述了铬元素渗入碳钢基体过程中碳原子的迁移规律， 并用热力学知识分析了碳迁移动力学，揭示了渗入元素与基材元素问 的相互影响和作用。 关键词：碳钢，渗铬，表面合金化，组织与性能，碳迁移 太原理i ：人学博十研究生学竹论文 r e s e a r c ho fm i d d l et e m p e r a t u r ec h r o z i n g o nc a r b o ns t e e l ，i ，md o u b l eg l o wp l a s m a s u r l f a c ea l l o n gp r o c e s sa n dc a r b o n m i g r a l l o ni nt h ec h r o m i z e dl a y e r a b s t r a c t d i ea n dm o u l da r et h en e c e s s a r yt o o l si np l a s t i cp r o c e s s m i d d l ea n d h i g hc a r b o ns t e e li st h ec h e a pm a t e r i a lo fm a k i n gd i ea n dm o u l d ，w h i c h o f t e nb e c o m ei n v a l i db e c a u s eo fl o ww e a rr e s i s t a n c e o x i d a t i o nr e s i s t a n c e a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo nt h es u r f a c e ，h e n c et h ee x t r e m ei m p o r t a n c eo f t h es u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n i q u e ，b u tq u i t em a n yp r o b l e m sa r eh i n d e r i n g t h e a p p l i c a t i o n o fn o we x i s t i n g t e c h n i q u e ss u c h a s e a s yf l a k i n go f h a r d e n e dl a y e r ，h i g ht e m p e r a t u r eo fh e a tt r e a t m e n ta n dp o l l u t i o n ，e t c i nt h ep a s tt w e n t yy e a r s ，d o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c ea l l o y i n gp r o c e s s h a sm a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s s ，b u tc o m p r e h e n s i v ea n dd e e pr e s e a r c h e s o nt h es u r f a c eo fm i d d l ea n dh i g hc a r b o ns t e e la r es t i l in o tc o n d u c t e d i n p a r t i c u l a r ，w h e nt h ep e r m e a t e de l e m e n ti s t h eo n et h a tc a nf o r mh i g h c a r b o nc o m p o u n d ，t h ef u n c t i o n ，t h ei n f l u e n c ea n dt h eu s eo fce l e m e n ti n t h es u b s t r a t ew i l lb e c o m ev e r yi m p o r t a n t w h a ta r et h ei n f l u e n c e so f c a r b o ni nt h es u b s t r a t eo nt h ef o r m a t i o no fc h r o m i z e dl a y e rw h e nt h e s u r f a c eo f h i g h c a r b o n a l l o y l i k em i d d l ea n dh i g hc a r b o ns t e e li s c h r o m i z e d c o n v e r s e l y , w h a t a r et h ei n f l u e n c e so fc h r o m i u mo nt h e d i s t r i b u t i o no fc a r b o ni nt h es u b s t r a t e s u c hs e e m i n g l ys i m p l eq u e s t i o n s a r e ，i nf a c t ，o fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l l yi n s t r u c t i o n a lf u n c t i o n s t ot h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u e i nt h el i g h to ft h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c a lp r o b l e m ss u c ha st h es u r f a c e h a r d e n i n go fc a r b o ns t e e l ，t h ei m p r o v e m e n to fw e a rr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c ea tah i g ht e m p e r a t u r e ，t h ep a p e rt a k e s c h r o m i z i n ga st h em e a n so fs u r f a c eh a r d e n i n g i np a r t i c u l a r ，f o r s o m e w o r k p i e c e sr e q u i r i n gh i g hs u r f a c ew e a rr e s i s t a n c eb u tr a t h e rl o ws u b s t r a t e p r o p r i e t i e s ，i ti sat h o u g h to fa p p l i c a t i o nv a l u et ou s ed o u b l eg l o wp l a s m a s u r f a c ea l l o y i n gp r o c e s st of o r mh i g hh a r d n e s sl a y e ro nt h es u r f a c e ， h o w e v e r ，d o u b l eg l o wp l a s m a s u r f a c e a l l o y i n gp r o c e s s h a s n tb e e n r e s e a r c h e do nt h i sr e s p e c t m i d d l et e m p e r a t u r e ( 8 0 0 9 5 0 c ) c h r o m i z i n go nc a r b o ns t e e lw i t h d o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c ea l l o y i n gp r o c e s st h r o u g ht h es t r e n g t h e n i n go f a l l o y i n g e f f e c ta f t e ri r o nb o m b a r d m e n t c a nd e c r e a s e w o r k p i e c e d e f o r m a t i o nw i t h o u td e s t r o y i n gs u b s t r a t eo r g a n i z a t i o na n dp r o p r i e t i e sa n d i so fg r e a tv a l u ef o ri n c r e a s i n gt h e p r a c t i c a l i t yo fd o u b l eg l o wp l a s m a s u r f a c ea l l o y i n gp r o c e s sa n db r o a d e n i n gi t sa p p l i c a t i o nf i e l d i n t h e l i g h t o ft h ea b o v e q u e s t i o n s ，t h i sp a p e r c h o s em i d d l e t e m p e r a t u r ec h r o m i z i n go nc a r b o ns t e e lw i t hd o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c e a l l o y i n gp r o c e s sa n di t se f f e c t so nt h es u b s t r a t ea si t sr e s e a r c hs u b j e c t ，a n d s t a r t e dt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y a n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s a r o u n dt h e a p p l i c a t i o nb a s i sp r o b l e m so fd o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c ec h r o m i z i n g h a r d e n i n gt e c h n i q u e i nm i d d l ea n d h i g h c a r b o ns t e e ls u r f a c ea ta t e m p e r a t u r ef r o m8 8 0 t o9 0 0 t h i sp a p e rc h o o s e s4 5 ，5 5 ，t 8 ，t i os t e e l a se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n da d o p t sd o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c ea l l o y i n g p r o c e s st oc o n d u c tt h eb a s i ca n da p p l i e ds t u d yo fs u r f a c ea l l o y i n g d i f f u s i n ga t o mt h e o r yh o l d st h a tt h et e m p e r a t u r eo fw o r k p i e c eh a v ea g r e a ti n f l u e n c eo n t h eg r o w t ho fa l l o y e dl a y e r sa n dm a t r i xp r o p e r t i e s ， t h e r e f o r e ，i ts e e m se x t r e m e l yi m p o r t a n tt om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo f w o r k p i e c ea c c u r a t e l y i n t h e p r o c e s s o fd o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c e a l l o y i n g ，w o r k p i e c e sa r ep l a c e du n d e rn e g a t i v eb i a si n t h ep l a s m ai nt h e v a c u u mr o o m ，s ot h e r ea r eal o to fd i f f i c u l t i e st ob es o l v e dt om e a s u r et h e t e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y t h e p a p e rf i r s t l y d o e ss o m ee x p e r i m e n t sa n d r e s e a r c ho nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to fp l a s m as u r f a c ea l l o y i n gp r o c e s s v l 太原理l ：人学l 尊七研究生学位论文 a n dr e a c h e ss o m el a w st h a tt h e w o r k p i e c er e a lt e m p e r a t u r e c a nb e a c c u r a t e l ym e a s u r e dw i t ht h ep h o t o e l e c t r i cp y r o m e t e r t h em e t h o do fm e a s u r i n gw o r k p i e c et e m p e r a t u r ew i t ht h ew d l 一31 p h o t o e l e c t r i cp y r o m e t e ri ss i m p l e rt h a nt h a tw i t ht h et h e r m o c o u p t e ，b u t t h e p h o t o e l e c t r i cp y r o m e t e r s h o u l db ec a l i b r a t e d a c c o r d i n g t ot h e m e a s u r e m e n tc o n d i t i o n sb e f o r eu s e d a tt h es t a b l es t a g eo fd o u b l eg l o wp l a s m ac h r o m i z i n go nt h ec a r b o n s t e e ls u r f a c eb yu s i n gc o n v e n t i o n a lp r o c e s s ，t h ep h o t o e l e c t r i cp y r o m e t e r n e e d st ob eu s e dt om e a s u r ed i f f e r e n tw o r k p i e c et e m p e r a t u r eb e t w e e n8 0 0 a n d1 0 0 0 。cw i t hd i f f e r e n t v a l u e sr e s p e c t i v e l y o n l yi n t h 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a t e d e c a r b o n i z e dl a y e ri st h et h i n n e s t ，t h eo p t i m a ip r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f v 1 1 太原理i ：人学博十研究生学位沦文 d o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c e c h r o m i z i n gp r o c e s s o nc a r b o ns t e e la ta t e m p e r a t u r ef r o m8 8 0 。c t o9 0 0 。ci sa r r i v e da t ：p o l a rd i s t a n c e2 0 m m ，t h e s p u t t e r i n gv o l t a g e - 8 0 0 v ，t h ed i s c h a r g ev o l t a g e 一2 8 0 v - 3 5 0 v ，g a s p r e s s u r e4 5 p a ，c h r o m i z i n gt i m e3 h t h ep a p e ri n d u c e sa n ds o r to u tal o to fp r o p h a s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt h el i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h r o m i z e dl a y e rp r e p a r e db yd o u b l e g l o wp l a s m as u r f a c ea l l o y i n g ，q u a l i t ye v a l u a t i o ni n d e xo fc h r o m i z e dl a y e r c o n s i s t i n go fc h r o m i z e dl a y e ri n t e g r i t y ，w a n ed e g r e e ，c h r o m i z e dl a y e r t h i c k n e s s ，c h r o m i 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