气体软氮化工艺研究新进展

气体软氮化是以渗氮为主的低温氮碳共渗,钢表面渗入氮原子的同时,还有少量的碳原子渗入而形成极其细小的碳化物,碳化物作为媒介可促进渗氮。由于该工艺处理温度低,时间短,所以工件变形小,脆性低。综述了以提高表面硬度、抑制表层脆性、高温短时等为主的气体软氮化工艺的发展状况,分别从稀土催渗、多元共渗、周期循环渗氮、可控气氛渗氮和奥氏体软氮化等5个方面阐述了气体软氮化渗层性能的影响机理和研究现状,并介绍了35钢增压喷丸表面纳米化对气体软氮化过程的影响,展望了表面纳米化用于气体软氮化的发展前景。     

1050工业纯铝表面氮化层组织及其摩擦学性能研究

利用等离子体渗氮技术,在1050工业纯铝表面形成氮化铝改性层,考察了氮化层成分分布、相结构及表面形貌.利用往复磨损试验机研究了氮化层的滑动干摩擦学性能,并与基材进行对比.结果表明,氮化层由AlN和Al组成,干摩擦条件下,氮化层能够明显降低1050铝表面的摩擦系数并提高其耐磨性.     

42CrMo钢表面纳米化对离子渗氮的影响

用表面机械研磨处理(SMAT)对42CrMo钢进行表面纳米化处理.对SMAT处理前后的样品进行离子氮化处理.通过扫描电镜、金相显微镜、X射线衍射和显微硬度计对渗氮处理后样品的结构和性能进行了表征.结果表明:在相同的氮化条件下,特别在低温下,经SMAT处理后的42CrMo钢可以得到化合物层更厚、硬度更高的氮化层.     

40Cr钢表面纳米化对气体渗氮行为的影响

采用超音速微粒轰击技术对40Cr钢经调质处理后进行单面表面纳米化,使其表面形成晶粒尺寸约10nm的纳米晶层,然后对试样进行不同温度和时间的低温气体渗氮。利用金相法,硬度法和X射线衍射法对试样两面的渗氮层进行分析对比。结果表明：纳米层表面形成氮化物的温度可降至300℃左右,而在450℃时,原始粗晶面气体渗氮才形成连续的氮化物层。主要原因是表面纳米化后大量的晶界为氮原子的扩散提供了通道,同时,晶界和晶内存在的缺陷也可降低氮化物形成的氮势门槛值。     

追溯历史评表面形变纳米化

回顾了20世纪70年代表面形变的研究成果,并和21世纪表面形变纳米化作比较。结构方面,上世纪所提的位错胞可以在电镜下直接观察到,而且由动态回复试验得到旁证。21世纪表面纳米化的晶粒碎化,小角晶界变成大角晶界则未见直接的实验结果,也无充分理论依据。此外,20世纪注重定量分析的结构参数是位错胞间错角,21世纪表面纳米化则强调细化的尺度,用谢乐公式计算出晶粒大小及其分布。但位错胞不是晶粒,不能简单套用谢乐公式,文中详述了其理论依据。性能方面,形变强化以牺牲塑性为代价。20世纪将磨损和切削形成的纳米尺度白亮层视作损伤,21世纪的表面纳米化不是用性能优化作导向,而是以纳米化为目标,也即趋向白亮层的损伤程度,显然有悖材料学常理。工程应用方面,20世纪喷丸参数选择已有定量的规范和标准。21世纪为达到纳米化,喷丸必须超高强度,导致塑性大幅下降,粗糙度急剧提高,旋转弯曲疲劳试验表明,过喷使疲劳强度明显下降。即使对抗磨而言,强变形也只是在有限条件下起作用。至于形变后易于氮化的说法,上世纪初就发现在含氮环境中的磨损件易生成氮化物。实践表明,并非一个利于扩散的因素就可以认定工艺全过程具有可行性。强喷丸缺陷易于在氮化中扩大而萌生裂纹,应用效果存疑。     

表面纳米化预处理对低碳钢气体渗氮行为的影响

研究了表面喷丸纳米化预处理对气体渗氮行为的影响。利用低碳钢试样单面表面超声喷丸纳米化处理 ,另一面保持原始晶粒 ,在 46 0℃、5 0 0℃、5 6 0℃、6 40℃四种温度不同时间气体渗氮 ,通过金相观察和X射线衍射法测定渗氮层的厚度和种类。对比发现在 5 6 0℃以下渗氮时 ,经过表面喷丸纳米化预处理 :可以提高扩散系数D和气 -固传递系数 β,降低氮势门槛值 ;使常规渗氮温度降低 5 0℃左右或者渗氮时间缩短 5 0 % ;使渗氮层厚度随渗氮时间增长在初期就符合抛物线规律x =At0 5。 6 40℃短时间渗氮时 ,表面纳米化预处理仍然可以起到一定的加速作用 ,但是随着渗氮时间的延长 ,表面纳米化预处理优势消失 ,甚至会阻碍渗层厚度的增长     

钛合金缝隙腐蚀、离子渗氮与表面纳米化的研究进展

钛合金凭借优异的耐腐蚀性能,在海洋工程中有着巨大的应用前景,但是其在苛刻条件下易发生缝隙腐蚀及耐磨性差等缺点也影响了它的使用。总结了钛合金发生缝隙腐蚀的条件与原因,以及普通离子渗氮对钛合金耐磨性和耐腐蚀性能的影响,并重点探讨了表面纳米化对钛合金离子渗氮层结合力和耐蚀性能的影响。研究发现,钛合金在高温(65℃以上)、高酸性(低pH值)、高Cl~-浓度、低氧含量的苛刻环境中会发生缝隙腐蚀,氧浓差电池与自催化酸化作用是钛合金缝隙腐蚀的主要机理,钛吸氢形成的脆性TiH_2则会加速缝隙腐蚀过程。普通离子渗氮在钛合金表面形成的高硬度TiN、Ti_2N层可以提高钛合金的耐磨性,同时提高其耐均匀腐蚀性能。但是,由于离子渗氮层与钛合金基体的硬度差别较大,结合力不强,腐蚀过程中容易发生脱落。利用表面纳米化技术制备表面梯度纳米晶结构,有望通过离子渗氮获得结合力好的渗氮层结构,并可以有效降低渗氮温度。     

超声波冷锻对Cr12MoV钢渗氮组织与性能的影响

为优化渗氮工艺,提高渗氮层的厚度与硬度,提出用超声波冷锻技术(Ultrasonic cold forging technology,UCFT)对Cr12MoV模具钢进行表面纳米化预处理,并在450℃和520℃两个温度条件下离子渗氮.采用扫描电镜、金相显微镜、白光形貌仪、X射线衍射仪和维氏显微硬度计对样品的微观组织结构和性能进行表征.结果表明:UCFT是一种能与离子渗氮有效复合的预处理工艺,经UCFT表面纳米化预处理后,Cr12MoV模具钢表面形成表面硬度约520 HV,厚度为350 μm的塑性变形影响层;经UCFT表面纳米化预处理后和离子渗氮复合处理后,渗氮层厚度与硬度与原始样品直接渗氮相比有显著提高;UCFT预处理后在520℃离子渗氮4h,材料表面硬度可高达1350 HV,复合改性层厚度也可增至约400 μm.     

氮化-氧化复合工艺研究进展

综述了各种氮化一氧化复合工艺的研究进展，讨论了含氧气氛的添加对渗层组织和性能的影响。含氧气氛的添加方式不同，所起的作用不同：在渗氮前添加可加速渗氮；渗氮后添加可提高氮化层的耐磨性、耐蚀性；在渗氮过程中添加形成氧氮化，在加速渗氮的同时还可提高渗氮层的表面性能。其中，离子氮化后氧化一直是国外研究的重点。     

快速强韧氮化工艺对M2钢性能的影响

以M2钢为研究对象,研究了快速强韧氮化工艺对其微观结构、渗氮层深度、脆性及变形量的影响,揭示了该工艺在M2钢表面的渗氮机理。结果表明,快速强韧氮化工艺比传统QPQ盐浴复合处理工艺在相同氮化时间内获得更深的氮化层厚度,试样表面硬度整体提升,氮化层脆性级别为1级,氮化后微量变形。     

高熔点金属电弧喷涂快速制模涂层变形控制研究

采用ZnAl合金作为打底层材料,通过喷涂前对基体进行预热以及在喷涂过程中对基体和涂层进行温度控制,降低喷涂过程中涂层的温度梯度,达到减小涂层内残留热应力,减小甚至消除涂层的变形,得到较厚的3Cr13不锈钢涂层。该方法可用于制造高硬度金属电弧喷涂模具,为汽车样车试制和小批量生产服务。     

管材拉拔中的不均匀变形与残余应力

为评价管材拉拔中的不均匀变形 ,提出用管材拉拔前后截面形状变化指数Q描述截面变形的不均匀性。用电阻应变片测试了黄铜管材变形后的表面残余应力 ,用管材截面小圆环法计算了截面径向和周向变形的分布 ,确定了管材拉拔中Q值对管材截面上变形分布及表面残余应力的影响规律。     

超声滚压剧烈塑性变形诱导金属材料结构演变的研究进展

首先,对表面完整性的基本概念和内涵进行了概述,同时简要介绍了超声实现滚压技术的基本原理及其优点。随后,对比分析了不同剧烈塑性变形方法的特点和局限性,引出了实现表面完整性的相关剧烈塑性变形协调机制。在此基础上,随后结合其他剧烈塑性变形强化工艺,重点总结了超声滚压剧烈塑性变形对金属材料表面微观结构演变的影响。具体探讨了剧烈塑性变形诱导晶粒细化机制、晶粒生长机制以及合金元素偏聚机制等,主要分别论述了不同层错能的面心立方、体心立方以及密排六方等不同金属晶体结构的晶粒细化机制(以位错滑移、变形孪晶为主导)、晶粒长大机制(以晶界迁移、晶粒旋转为主要)与合金元素偏聚机制(晶界偏聚、位错核心偏聚)等。最后,对以上内容进行了综合总结,并针对超声滚压技术研究中存在的问题给出进一步研究和发展的建议,从而为实现超声滚压金属材料的表面完整性的主动精准控制及提高其服役寿命与可靠性提供一定的参考。     

冷轧预处理对TC4合金540 ℃渗氮组织的影响

TC4钛合金经820 ℃固溶处理及室温下冷轧得到10%、20%、30%、40%、50%不同变形量的试样,之后在540 ℃进行渗氮复合时效处理8 h。利用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜等分析了不同变形量下合金渗氮组织和时效组织的变化特点以及渗氮试样表面的相结构和形貌的变化。试验结果显示,渗氮处理后,试样表面生成了TiN、Ti₂N等高硬的氮化物颗粒,变形量越大,试样表面生成的氮化物颗粒越多且尺寸越大;经固溶处理后,TC4合金的室温组织为α相+亚稳β相,经渗氮复合时效处理后,亚稳β相分解为α相,同时α相向β相转化,变形量越大,析出的β相越多,且这种趋势不如单纯的时效处理明显。     

Microstructure and mechanical properties of functionally gradient cemented carbides fabricated by microwave heating nitriding sintering

A new method is presented for the fast preparation of functionally graded cemented carbide materials by microwave heating nitriding sintering. The influence of composition and sintering temperature on the mechanical properties, microstructure, and phase composition of the materials was studied. Results showed that functionally graded cemented carbides with the desired mechanical properties can be obtained rapidly by microwave heating nitriding sintering. A gradient layer with a Ti(C, N)-enriched surface layer, and underneath a Co-enriched layer formed on the top of the hard alloy substrate. The nitriding process had little effect on the microstructure of the matrix. A lower surface roughness, and the similar layer thickness as seen in conventional heating nitriding was obtained by microwave heating nitriding sintering in a short period of time. The thickness of the gradient layer increased with increasing temperature. The high Ti content in the raw material was beneficial to the formation of the gradient layer; however, the Co content had little effect on the gradient layer thickness when it increased from 6% to 10%.     

室温形变对合金化渗氮的影响

研究了Ｃ３钢和Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２钢室温形变对合金化渗氮渗速和渗层硬度的影响以及参氮过程中形变试样的回复和再结晶形为。结果表明，渗氮层深度随形变量增加先增后减；渗层硬度随形变量增大而增加；渗氮阻碍渗层形变组织的回复与再结晶。     

表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展

多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导,从而引起材料的性能下降,使用寿命缩短.受生物材料的梯度结构启发,近年来开发了多种表面纳米化技术,成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构,强化和保护了材料表面,有效地解决了上述问题.结合国内外表面纳米化的研究结果,综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展.首先,介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展.其次,对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳,并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述.随后,总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响.最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战.     

某产品齿轮“蹋齿”问题分析

通过分析齿轮热处理和表面强化处理工艺后,得出了齿轮出现齿形严重变形（俗称“蹋齿”）的原因是由于采用了表面渗氮工艺,破坏了之前调质的力学性能,导致硬度下降。提出了采用表面高频淬火的表面强化工艺,有效解决了齿轮蹋齿问题。     

Surface nanocrystallization by surface mechanical attrition treatment and its effect on structure and properties of plasma nitrided AISI 321 stainless steel

A plastic deformation surface layer with nanocrystalline grains was produced on AISI 321 austenitic stainless steel by means of surface mechanical attrition treatment (SMAT). Low-temperature nitriding of SMAT and un-SMAT AISI 321 stainless steel was carried out in pulsed-DC glow discharge. The effect of SMAT pretreatment on the microstructure and properties of the stainless steel were investigated using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Vickers hardness tester and UMT-2MT tribometer. The results show that the plasma nitriding of AISI 321 steel can be enhanced considerably by means of SMAT process before nitriding, and a much thicker nitrogen diffusion layer with higher hardness was obtained for the SMAT samples when compared with un-SMAT samples. In addition, the wear resistance and load capacity of the nitrided layers on the SMAT samples was much higher than that of the un-SMAT samples due to the thicker S phase case and the gradient nitrogen diffusion layer.