快速多重旋转碾压诱导Ti-6Al-4V表面纳米晶及性能研究

目的 使Ti-6Al-4V能更好地应用于海洋领域.方法 采用快速多重旋转碾压技术(FMRR)对Ti-6Al-4V表面进行冷变形处理,研究其力学性能.然后,对其进行低温等离子渗氮,渗氮温度为550℃,保温时间4 h.利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和电子显微硬度计等测试设备,对FMRR处理后的Ti-6Al-4V表层组织结构和性能以及等离子渗氮处理后表层组织结构进行表征.结果 经15、30、45 min的FMRR处理后,Ti-6Al-4V表层晶粒细化并获得了纳米结构,对应的平均晶粒尺寸为65～90、45～70和20～40 nm.此时,晶界明显增多,局部存在孪晶、小角度晶界和高密度位错等结构缺陷,电子衍射环连续.同时,Ti-6Al-4V表层结构未出现新相,晶粒细化导致衍射峰略有变宽,也提高了Ti-6Al-4V表面的显微硬度,显微硬度为325～453HV,比处理前提高了约41％.FMRR预处理的试样经过低温等离子渗氮后,基体表面的渗氮层主要包括白色化合物层和过渡层两个区域.结论 FMRR处理为后续低温渗氮提供了能量条件和结构条件,提高了渗氮的速度,最终的渗氮层厚度约为100μm.     

表面机械研磨对304不锈钢渗氮组织性能的影响

对304不锈钢表面进行表面机械研磨处理(SMAT),再进行不同温度下的低温等离子渗氮。利用光学显微镜、XRD、SEM和EDS,分析渗氮层的物相、显微组织和元素;采用显微硬度计检测渗氮后硬度的变化;采用电化学工作站测试渗氮后试样的腐蚀性能。结果表明,经过1800 s的表面机械研磨处理,材料的渗氮组织性能达到最好,样品表面生成一层晶粒细化层,可以明显促进304不锈钢的低温渗氮。1800 s的表面机械研磨处理后,在350℃下进行渗氮,可以获得一层厚度约3μm的渗氮层,其硬度高达925 HV0.05。和未处理的试样对比,自腐蚀电位升高了0.2 V,自腐蚀电流降低了4.22×10-4A·cm-2。     

锆合金R60705的表面渗氮处理

对锆合金R60705进行了600/900 ℃×6 h表面渗氮处理,并运用硬度测试、显微组织观察、XRD分析、阳极极化曲线和耐磨性试验对渗氮层性能进行了研究。结果表明,渗氮处理后,R60705合金渗氮层表面硬度最高达742 HV0.1,耐腐蚀性及耐磨性提高;900 ℃渗氮处理后,渗氮层各项性能均优于600 ℃渗氮试样。     

TA2钛材的激光相变硬化复合低温气体渗氮工艺

为了提高TA2钛合金的耐磨性和耐蚀性,采用激光相变硬化-气体渗氮工艺对TA2钛进行表面改性。利用体视光学显微镜、透射电镜和X射线衍射仪对TA2激光相变硬化-气体渗氮层进行表面形貌、微观组织和相组成分析;利用显微硬度计对两种复合改性层的显微硬度进行测试。结果表明:TA2钛表面经激光相变硬化后,可实现430℃低温渗氮。此条件下晶粒得到细化,亚结构和缺陷密度的增加有利于氮元素和晶内扩散,相变组织与氮势梯度具有良好的对应关系。通过改善渗层的组织结构和化学成分分布状态,获得了性能优良的TA2钛表面硬化层。     

钛催渗低温离子渗氮对304不锈钢组织性能的影响

目的 在保障304奥氏体不锈钢良好耐蚀性前提下,研发显著改善表层硬度及耐磨性的低温高效离子渗氮技术。方法 低温离子渗氮时,在试样周围均匀放置微量海绵钛,研发304奥氏体不锈钢创新钛催渗低温离子渗氮技术。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线粉末衍射仪、显微维氏硬度计、摩擦磨损测试仪,以及电化学工作站等设备分别对试样截面显微组织、物相及成分、截面显微硬度、渗层耐磨性能、耐蚀性能等渗层组织性能进行测试与分析。结果 304奥氏体不锈钢在420 ℃/4 h钛催渗离子渗氮处理后,不仅保持了良好耐蚀性,且渗层耐蚀性比常规低温离子渗氮略有提升,同时,表面硬度与耐磨性大幅提高,表面硬度由常规离子渗氮的978HV0.025提升至1350HV0.025。磨损率由20.9 μg/(N.m)降低至7.4 μg/(N.m),下降了约2/3。特别有价值的是,钛催渗低温离子渗氮效率比传统离子渗氮显著提升,渗氮层厚度由常规离子渗氮的11.37 μm增厚到48.32 μm,即渗氮效率提高到常规离子渗氮的4倍以上。结论 本研究研发的钛催渗低温离子渗氮技术在保障304奥氏体不锈钢优良耐蚀性的同时,能够大幅度提升不锈钢表面硬度及耐磨性能,且具有显著的催渗效果。     

F51双相不锈钢离子渗氮层的组织与性能

目的提高F51双相不锈钢的硬度以及耐磨性能。方法将F51双相不锈钢进行低温(450℃)和高温(550℃)离子渗氮处理,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)观察F51双相不锈钢渗氮层的微观组织,利用X射线衍射(XRD)方法对渗氮层沿深度方向相组成的变化进行分析,采用显微硬度计、摩擦磨损实验机分别对渗氮层的显微硬度及耐磨性能进行测试,采用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)对磨痕形貌进行观察。结果F51双相不锈钢低温渗氮层主要由N相组成,由表及里为N N+N(少量);高温渗氮层主要由CrN+N相组成,由表及里为CrN+N N+N。高温渗氮层厚度约为低温渗氮层厚度的3倍。低温渗氮样品的平均表面硬度约为基体表面硬度的3.5倍;高温渗氮样品的平均表面硬度约为基体硬度的4倍。基体的摩擦系数约为0.71,低温和高温渗氮处理后样品的摩擦系数大大降低,分别为0.24和0.17。渗氮样品磨痕的宽度和深度较基体显著降低。结论F51双相不锈钢低温渗氮层主要由N相组成,高温渗氮层主要由CrN+N相组成,两种温度渗氮后的样品硬度和耐磨性均得到显著提高。     

2Cr13钢的表面气体渗氮处理

用光学金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射(XRD)仪及显微硬度计对经气体渗氮处理的2Cr13钢试样进行了组织结构分析,并利用销-盘摩擦磨损试验机对渗氮的盘与未渗氮销摩擦副进行摩擦磨损试验.结果表明,520℃×20 h渗氮可使2Cr13马氏体不锈钢的渗氮层深度达到165 μm,处理后试样的显微硬度约为处理前的2.5倍.处理后试样的耐磨性能得到了较大的提高,渗氮盘试样的磨损表面未出现裂纹,而未渗氮销的磨损表面存在严重的裂纹.     

渗氮温度对奥氏体不锈钢性能的影响

利用自行研制的直流脉冲离子渗氮设备对奥氏体不锈钢进行离子渗氮,采用显微硬度计、倒置金相显微镜等手段研究了渗氮温度对奥氏体不锈钢显微硬度、金相组织、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响.结果表明,通过离子渗氮处理得到的渗层表面硬度均在1150 HV0.05以上,耐磨性能提高4～5倍,低温离子渗氮在提高耐磨性能的同时保持其耐腐蚀件能基本不变.     

304奥氏体不锈钢低温盐浴渗氮处理

采用430℃低温盐浴对304奥氏体不锈钢进行渗氮处理,研究了渗氮时间对渗氮层组织和性能的影响。利用XRD衍射仪、光学显微镜、表面显微硬度计和带能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM)分别分析渗氮层的相组成、厚度、表面硬度和显微组织。结果表明:304奥氏体不锈钢在430℃渗氮不同时间后,渗氮层厚度和表面硬度都随着时间的延长而增加。渗氮时间为1 h时,渗氮层仅为单一的S相,随着渗氮时间的增加,渗氮8 h时开始有少量CrN生成,渗氮16 h时,渗氮层由大量CrN+S相两相混合。用电化学极化的方法评价耐蚀性能的结果表明:盐浴渗氮处理后耐Cl-点蚀性能得到了一定的改善,在430℃渗氮4 h,其耐蚀性能是最好的,优于没经过渗氮的试样,而在所有的渗氮试样中,渗氮8 h、16 h的试样耐点蚀性能较差。     

TD3钛合金离子渗氮层的摩擦磨损性能

采用等离子表面渗氮技术对TD3合金进行渗氮处理,并对渗氮层显微组织、相组成及硬度进行检测。对渗氮前后TD3合金分别进行常温(25 ℃)及600 ℃的摩擦磨损试验,分析摩擦温度对其摩擦因数、磨痕形貌及磨损率的影响;结果表明,离子渗氮处理后TD3合金表面形成一定厚度的氮化物层,氮化物层在降低摩擦因数的同时,显著降低了TD3合金的磨损率,温度由25 ℃升至600 ℃时,磨痕形貌变化较大,摩擦因数及磨损率也有一定幅度的增加。     

32Cr3MoVE轴承钢渗氮层组织与旋转弯曲疲劳性能

采用旋转弯曲加载方式测试了32Cr3MoVE渗氮轴承钢的疲劳性能,通过扫描电镜、X射线衍射、显微硬度计及X射线应力仪分析了渗氮层的组织特征和残余应力分布以及疲劳断裂的原因。结果表明:渗氮层析出的γ′-Fe_4N、CrN、Fe_3N等氮化物提高了试验钢的表面硬度,并形成了先增大后减小的残余压应力分布,在距表面300μm处残余压应力高达610 MPa,显著减小了试样次表面承受的循环拉应力,使得疲劳裂纹萌生起源于近表面以及距试样表面600～700μm较远的区域;渗氮处理显著提高了试验钢的疲劳性能,中值疲劳强度达到974 MPa。疲劳裂纹萌生于表面化合物层和内部非金属夹杂物,各占41.2%和58.8%;裂纹沿着化合物层、扩散层及基体依次扩展,最后在试样基体瞬断。扩散层部分呈现沿晶断裂和准解理断裂混合断裂形式,渗氮层和基体交界处呈现一段光滑过渡区。     

离子渗氮工艺对液压柱塞用38CrMoAl钢组织和性能的影响

对液压柱塞用38CrMoAl钢进行了低温离子渗氮,采用金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计对处理后的38CrMoAl钢试样的显微组织、表面硬度和渗层脆性进行了分析。研究结果表明,相比于510 ℃常规离子渗氮,38CrMoAl钢经450 ℃×6 h低温离子渗氮后无白亮层产生,且XRD表明38CrMoAl钢表面无γ'-Fe4N相生成。同时,压痕周围无裂纹产生且硬度高于510 ℃×6 h常规离子渗氮。     

38CrMoAl钢钛催渗等离子氮化工艺研究

目的 探究38CrMoAl钢钛催渗等离子渗氮工艺及机理.方法 在其他工艺参数确定的情况下,通过常规等离子渗氮与钛催渗等离子渗氮处理对比试验,研究38CrMoAl钢钛催渗离子渗氮处理随渗氮时间的变化规律.对试样进行表面硬度、渗层深度检测和显微金相组织与SEM形貌的观察,探究不同处理工艺的催渗效果及钛催渗等离子渗氮的机理.结果 在渗氮的前3 h,渗氮层厚度增加明显,当渗氮时间超过3 h后,其氮化层的厚度便趋于饱和.对比不同时间(3、5、8 h)钛催渗等离子渗氮的表面硬度,差距不大.综合得出38CrMoAl钢在渗氮温度535℃、氨气流量2.0 L/min的工艺参数下,钛催渗等离子渗氮效率最优的渗氮时间为3 h,其表面硬度为1160.8HV,渗层深度为300μm,优于常规离子渗氮8 h的作用效果.结论 38CrMoAl钢试样经过钛催渗等离子渗氮后,渗层的表面硬度和深度明显高于常规离子渗氮.钛的加入可以促使合金元素向表面富集,有利于表面合金化,提升渗氮效率,增强渗氮效果.     

TA2钛材激光相变增强离子渗氮层的组织与性能

采用激光相变硬化、离子渗氮及激光相变增强离子渗氮3种工艺对TA2钛材进行表面强化处理,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、维氏硬度计和摩擦磨损试验机对材料表面硬化层的物相组织、表面形貌、硬度和摩擦学性能进行分析测试。结果表明,激光相变后,试样进行600℃×8 h的离子渗氮可抑制长时间高温渗氮引起的TA2基体组织粗化,获得组织合理、耐磨性能优良的渗氮层。     

渗氮处理对SLD钢表面CrTiAlN涂层组织与性能的影响

采用多弧离子镀在SLD钢表面制备CrTiAlN涂层.利用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、划痕仪和摩擦磨损试验机等研究渗氮处理对SLD钢表面CrTiAlN涂层的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响.结果表明,未经渗氮处理的SLD钢表面CrTiAlN涂层的微凸体较多,CrN相以(200)晶面生长,涂层显微硬度为2423 HV0.01.渗氮后,CrN相以(111)晶面择优生长且晶粒更加细小,涂层显微硬度提升24％,磨损机理以磨粒磨损、黏着磨损为主,磨损率下降.     

H13热冲压模具无化合物层抗冲击抗热疲劳离子渗氮技术研究与应用

目的 以H13热冲压模具钢为研究材料,探索不形成化合物层的低温创新离子渗氮工艺,旨在提高H13钢热冲压模具的抗冲击性和抗疲劳性,延长服役寿命。方法 将H13钢试样放在LD-8CL型直流离子渗氮炉内进行离子渗氮处理,渗氮温度分别为470、490、510 ℃,保温时间为8 h。利用光学显微镜、X射线衍射仪、压痕检测法及自行设计的热疲劳实验,对渗氮后的H13钢显微组织、物相组成、渗层脆性和热疲劳性进行了测试与分析。结果 与普通离子渗氮相比,H13钢经470 ℃低温离子渗氮处理后,表层无化合物层生成;渗层脆性显著降低,在较大检测载荷下压痕周围无裂纹产生;同时,抗热疲劳性提高3倍以上。将470 ℃低温无化合物层创新离子渗氮技术应用到汽车板件热冲压模具中,使模具冲压能力由之前18 000~20 000件提升到80 000~100 000件,即服役寿命提高到5倍左右。结论 H13钢经470 ℃低温离子渗氮处理后,表面无化合物层产生,具有良好的韧性,与常规离子渗氮相比,该技术能够显著提高表面抗热疲劳性以及模具的服役寿命。     

表面机械研磨处理对H13钢离子渗氮行为的影响

采用SEM、TEM和显微硬度计等研究了H13钢表面经机械研磨处理后520℃离子渗氮行为.结果表明,经过机械研磨(SMA)处理后H13钢表层形成了一定厚度的变形层,该变形层的晶粒尺寸10～20 nm,表面硬度约800 HV0.2.在直流脉冲渗氮炉中经520℃离子渗氮5 h后,未SMA处理和经SMA处理后的渗氮层厚度分别为65 μm和115 μm,表明机械研磨处理对H13钢离子渗氮具有明显的催渗作用.     

0Cr18Ni9不锈钢表面纳米化组织及其热稳定性对低温渗氮行为的影响

采用超音速微粒轰击技术(SFPB)对0Cr18Ni9不锈钢试样进行了表面纳米化处理,并对SFPB处理后的试样进行热处理和低温气体渗氮处理,分析讨论了表面纳米化组织及其热稳定性对低温渗氮行为的影响.结果表明:经SFPB处理后,试样表层形成厚约250 μm的变形区,表面组织为纳米晶,平均晶粒尺寸为15 nm,其变形机制以孪生为主,变形同时表面发生了马氏体相变,表面硬度明显提高.对SFPB处理的试样经450 ℃热处理后,纳米晶未发生明显粗化,马氏体量减少很小,硬度保持稳定,因而具有良好的热稳定性.晶粒细化、马氏体相变及其良好的热稳定性有利于实现低温快速渗氮,使渗层厚度明显增加,表层硬度得到进一步提高,硬度分布梯度也得到了改善.     

空气预氧化与盐浴预氧化对盐浴渗氮催渗效果的对比

以45钢为试验材料,采用空气炉和盐浴炉两种方式进行预氧化,随后进行相同工艺的盐浴渗氮处理。对比分析两种预氧化方式对盐浴渗氮效率和组织性能的影响。利用光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、电化学工作站和扫描电镜对样品的显微组织、物相、硬度、耐蚀性和表面形貌进行了测试和分析。预氧化试样表层物相分析发现,盐浴预氧化和空气预氧化处理45钢表面均形成含有Fe_3O_4的氧化膜,但是随着保温时间延长盐浴预氧化处理试样表面氧化膜中的Fe_3O_4含量增速更快、含量更高,且具有更大的比表面积,在随后的渗氮处理中容易被还原。盐浴预氧化(350℃×45 min)后进行盐浴渗氮(560℃×120 min),化合物层厚度达到了20.8μm,显著地提高盐浴渗氮效率,是相同工艺参数空气预氧化后盐浴渗氮所获得化合物层厚的1.6倍。同时能改善渗层组织性能,耐腐蚀性能提高。     

喷丸处理对55SiCr弹簧钢低温气体渗氮的影响

对55SiCr弹簧钢表面进行不同强度的喷丸处理,并在390 ℃进行低温气体渗氮12 h。利用超景深显微镜、显微硬度计、直读光谱仪以及X射线衍射仪（XRD）分析了渗氮层的显微组织、厚度、氮含量和相组成。结果表明,渗氮层主要由γ’-Fe₄N和α_N相组成,并有少量的CrN和Fe₃O₄。随喷丸强度增加,渗氮层组织更加均匀致密,渗氮层厚度、表面硬度和渗层氮含量均增加。