铁基合金等离子体稀土氮碳共渗组织超细化与深层扩散机制-材料学专业论文.docx

Classified Index: TG156.8 U.D.C: 621.785Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringMECHANISM OF MICROSTRUCTURAL SUPER- REFINEMENT AND DEEP DIFFUSION OF PLASMA RARE EARTH NITROCARBURIZED IRON-BASE ALLOYSCandidate：Chengsong ZhangSupervisor：Porf. Mufu Yan Academic Degree Applied for：Doctor of Engineering Speciality：Materials ScienceAffiliation：School of Materials Science and EngineeringDate of Defence：June 18, 2015Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology摘要M50NiL 钢是新一代的高强轴承钢，广泛应用于航空制造业等高端装备制 造业。对于轴承而言，其失效形式主要为接触疲劳失效和磨损失效，因此要求 其具有优异的表面性能。然而目前对于 M50NiL 钢的表面改性技术却鲜有报 道。如何在轴承钢表面获得超细化的组织且较深的改性层一直以来是化学热处 理的研究热点。本文针对 M50NiL 钢稀土氮碳共渗层的高强韧性的性能要求， 将等离子体稀土氮碳共渗技术应用于 M50NiL 钢的表面改性。基于循环相变超 细化思想，设计了变温循环稀土氮碳共渗工艺，以期实现共渗组织超细化；同 时研究了不同铁基合金低温稀土共渗过程中的稀土元素催渗机制。在不同相区对 M50NiL 钢进行稀土氮碳共渗，研究温度、氮氢比及共渗时 间对共渗层组织结构的影响。结果表明：M50NiL 钢?相区稀土氮碳共渗层无 化合物层，共渗层微结构为粗大的板条马氏体。共渗层的相组成主要为 ?′N、?′-Fe4N 及?-Fe2-3N，且相结构随温度变化较大，随氮氢比变化不明显。 ?相区 稀土氮碳共渗层组织同样无化合物层，相结构受温度及氮氢比影响较大。相同 氮氢比下，??′-Fe4N 含量随温度升高而减少；当氮氢比为 0.3:0.1 L/min 时， 650°C 下共渗 1h 后，开始形成?-FeN0.076，说明奥氏体化开始。以不同相区 M50NiL 钢稀土氮碳共渗层相结构演变规律为基础，通过热力 计算设计了变温循环共渗工艺，在共渗层表面上获得了纳米级的超细组织，而在共渗层内部 30?m 处局部得到了超细化的组织。其中，???相区（降温）循 环共渗表面超细化组织由?′N + ??′-Fe4N 或单一的??′-Fe4N 组成，?相区（升温） 循环共渗表面超细化组织由?′N 和非晶组成。M50NiL 钢变温循环稀土氮碳共 渗超细化机制为：首先，?相区共渗过程中发生奥氏体化，形成?-FeN0.076，其 次在后续的降、升温循环过程中反复发生?-FeN0.076??′N + ??′-Fe4N 转变以及马 氏体相变（???′N）。与此同时合金元素导致?和??′氮化物的稳定性下降，使其 在共渗过程中不易长大，最终形成超细化共渗层组织。M50NiL 钢经不同相区稀土氮碳共渗后，硬度及耐磨性均大幅提高。磨损 机制随磨损速度由氧化疲劳磨损逐渐转变为磨粒磨损和粘着磨损。其中 ???相区（降温）循环 2 次共渗层具有最优的耐磨性。而稀土 La 的加入能够抑制 共渗层的脆性，提高共渗层的强韧性，增强共渗层的耐磨性。超细化共渗层耐 磨性提高得益于其特殊的表面组织结构。细小的含氮马氏体 +弥散析出的???′-Fe4N 组织有利于提高共渗层的强韧性和耐磨性。 稀土元素在化学热处理中被证实具有明显的催渗效果，然而其催渗机制尚未得到很好的揭示，尤其在等离子体低温稀土共渗中。本文的实验和热力学计 算结果证实：等离子体低温稀土共渗过程中 La 与 N 之间的作用是相互吸引 的。通过实验和理论计算提出等离子体低温稀土共渗过程中稀土催化机制：首 先，稀土共渗过程中，在 La 和 LaFeO3 的共同作用下，使共渗表面变得粗 糙，比表面积增大，有利于 N 的吸附；其次 La 对 N 的吸引提高了表面 N 的 活度，与此同时通过 LaFeO3 对 O 的吸附，使得共渗表面 N 原子与 La 分离而 向内深层扩散。基于对含合金元素 LaFeO3 晶体氧空位形成能的计算，解释了高合金钢不 催渗的原因，同时提出了深层渗氮钢的设计思想，即：深层渗氮钢的成分选择 上应含有适量的 Ni 元素，同时应尽量减少 Cr、Mo、V 等元素的含量。关键词：