空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响

目的改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能,探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。方法利用空心阴极放电(Hollow Cathode Discharge,HCD)及稀土氧化物(Y_(2)O_(3)纳米颗粒)辅助在720℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮处理。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪、往复式摩擦磨损实验仪以及电化学工作站,对比研究常规离子渗氮、HCD辅助离子渗氮以及HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮3种条件下Ti6Al4V合金的渗氮组织和性能。结果HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮条件下,Ti6Al4V合金表面生成约126μm厚的渗氮层,分别是常规离子渗氮条件和HCD辅助离子渗氮条件的3.1、2.4倍。化合物层中,TiN含量显著增加,渗氮层表面硬度达到1067.9HV0.05。渗氮层整体硬度明显提高,且硬度梯度降低。Ti6Al4V合金的摩擦系数从常规离子渗氮时的0.4降至0.2。同时,TiN含量的提高,使Ti6Al4V合金在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电流降低,极化电阻增大,耐蚀性能得到改善。结论HCD复合Y_(2)O_(3)辅助可显著提高氮势,促进氮向Ti6Al4V合金内快速扩散,提高合金的硬度,改善合金的耐磨性能和耐蚀性能。

4Cr5MoSiV1热作模具钢循环渗氮及热疲劳行为研究

针对4Cr5MoSiV1热作模具钢在使用过程中经受熔融铝液及冷却液的循环冲击,在热应力作用下容易产生热疲劳失效的问题。采用可控循环气体渗氮的方法分别在回火态和热疲劳态模具钢表面制备无铁氮化合物和有化合物的渗层,进行热疲劳性能测试。结果表明:循环渗氮制备的无化合物的渗层可以有效延缓热疲劳裂纹的萌生,抗热疲劳性能优于有化合物的渗层。同时,在裂纹产生前进行二次渗氮可以补充氮原子,重置压应力并增加硬度,进一步提升热疲劳抗性。

钛合金的渗氮工艺及机理研究进展

对钛合金的气体渗氮、真空渗氮、离子渗氮、激光渗氮、稀土催化渗氮、复合渗氮等工艺的研究现状进行了全面梳理,重点阐述了渗氮温度、渗氮时间、气压、氮含量、间歇周期、渗氮气氛、激光功率、扫描速度等工艺参数对钛合金渗氮层组织和性能的影响,详细分析了渗氮层显微组织的演变规律和性能提升的机理。最后,介绍了目前发展的新型钛合金渗氮工艺,总结了实际生产中钛合金各渗氮工艺的优缺点以及应用中存在的问题,并对未来钛合金渗氮工艺的发展方向进行了一定的展望,以期为钛合金渗氮层性能优化与表面强化技术的发展提供有益借鉴。

汽轮机末级叶片用SP-700钛合金气体渗氮层结构和性能的研究

采用真空气体渗氮工艺在不同温度下对SP-700钛合金表面进行了渗氮强化。利用扫描电子显微镜、光学显微镜、显微维氏硬度仪、往复摩擦磨损试验仪、白光干涉三维表面轮廓仪和电化学工作站,分别测试了强化层的表面和截面形貌、硬度、耐磨性能和电化学腐蚀性能;通过浸泡腐蚀方法测定了涂层在HF溶液中的腐蚀行为。结果表明:渗氮温度对SP-700钛合金的微观形貌影响较大,随着温度的升高,试样表面氮化物数量增加,氮化物层更加致密;高温渗氮试样的硬度较基体提高了约1.9倍,相对耐磨性可达51.34;所有试样在3.5%NaCl溶液中均能自发钝化,有较好的耐电化学腐蚀性能;渗氮试样在HF腐蚀液中表现更优,渗氮温度越高,试样的耐腐蚀性能越好。

奥氏体不锈钢的氨气渗氮处理

用氨气为渗剂,采用不同工艺对0Cr18Ni9奥氏体不锈钢进行渗氮处理。借助光学显微镜对渗氮后试样组织进行分析,结果表明,三段式低温低压渗氮工艺处理后的渗氮层厚度约为90μm,炉压由0.03 MPa增加到0.25MPa后的渗氮层厚度约为135μm,再将第二段温度由550℃提高到950℃后的渗氮层厚度约为220μm,三段式高温加压处理后的渗氮层厚度达到三段式低温低压渗氮层的2.4倍;一段式高温加压处理后的试样硬度HV值为1 100,增大压力和提高温度都能显著提高氮势,增加渗氮层厚度,提高不锈钢的抗腐蚀性能。渗氮影响0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的力学性能,在拉伸曲线上出现了锯齿状图形,这与氮化物在拉伸过程中不断开裂有关。

激光硬化与渗氮复合处理H13钢组织与性能

通过激光淬火/离子渗氮复合方法对H13钢进行表面改性处理,从而提高其表面的性能.利用X射线衍射技术、光学显微观察、扫描电子显微观察、能谱分析技术、显微硬度和纳米测试系统以及高频往复磨损试验,分别研究了离子渗氮、激光淬火、以及激光淬火与离子渗氮复合处理对H13钢改性层组织结构、力学性能、摩擦磨损性能的影响过程和影响机理.结果表明:复合处理工艺可以显著改善改性层的综合性能.和单一渗氮处理相比,复合处理改性层硬度和有效硬化层深度分别从1180 HV和80μm提高至1360 HV和550μm,摩擦系数和磨损率分别从0.68和5.78×10^(-8)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)降低至0.59和1.35×10^(-8)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1).试样的硬度和耐磨性显著增加,平均摩擦系数明显降低.

低温盐浴渗氮工艺研究

渗氮工艺温度通常在500 600℃,本研究采用熔点低于430℃以下的氮化盐,在430～450℃低温条件下,对45钢和42CrMo两种材料的试样进行低温渗氮处理,对处理后试样的渗层深度、渗层组织、表面硬度等性能指标进行了检测分析。采用低温盐浴渗氮技术,试样渗层深度、渗层致密度及表面硬度均可达到良好的效果,同时获得了45钢和42CrM0材料低温盐浴渗氮的优化工艺。

氮氢比对H13钢离子渗氮组织和耐磨性能的影响

针对H13钢离子渗氮精密热锻模具出现早期疲劳裂纹或龟裂问题,开展温度520℃、气压250 Pa、不同氮氢比条件下的离子渗氮试验,以考察渗氮气氛中氮氢比对渗层组织及耐磨性能的影响规律。利用X射线衍射仪、共聚焦显微镜、扫描电镜、显微硬度计和摩擦磨损试验机分析不同氮氢比渗氮后渗层的相结构、显微组织、显微硬度及耐磨性能。结果表明:渗氮时间3 h、氮氢比为1∶3、1∶4、1∶5时,渗层物相主要由ε-Fe_(2-3)N、γ′-Fe_(4)N、α_(N)-Fe(N)相组成,氮氢比为1∶8时渗层物相主要为γ′和αN相;渗层深度及硬度随渗氮气氛中氮浓度降低而减小,氮氢比为1∶8时,延长渗氮时间可增加渗层厚度,在60μm渗层深度内硬度可达800~900 HV_(0.1)。氮氢比为1∶3、1∶4的渗层的磨损机理以疲劳磨损为主;氮氢比为1∶5、1∶8的渗层的磨损机理以磨粒磨损为主。采用氮氢比为1∶8对H13钢进行离子渗氮,渗层中无化合物层和脉状组织,渗层可获得适中的硬度和较佳的韧性,具有较好的耐磨性能。

小模数齿轮离子渗氮层深均匀性研究

探讨了炉压对小模数齿轮离子渗氮齿根层深均匀性的影响。结果表明:低炉压时,齿根渗氮层较浅,不能形成连续的渗氮白亮层,采用饱和硫酸铜溶液侵蚀会出现铜色沉积。随着炉压提高,齿根渗氮层深提高,表面渗氮白亮层连续,当炉压提高到680Pa时,齿根渗氮层深达到节圆层深的87%,渗氮层均匀。

冷轧带钢渗氮铁锅开裂剥落原因分析及改进措施

在采用某公司生产的厚度为1 mm的XLQ01冷轧带钢制作铁锅的过程中,经渗氮处理后出现开裂问题,铁锅经碰撞后渗氮层易剥落。本研究采用扫描电子显微镜、直读光谱仪、金相显微镜等检测手段对渗氮铁锅样品的断口微观形貌、化学成分、金相组织及原材料的表面粗糙度、化学成分、金相组织、晶粒度进行分析,结果表明,渗氮铁锅开裂剥落的原因主要有以下两个方面:一方面,渗氮开裂样品中存在粗大的原始组织和穿晶分布的针状氮化物,破坏了基体的连续性,增加了表面层脆性及切口敏感性,在外力作用下导致开裂;另一方面,原材料表面粗糙度大,渗氮温度高,渗氮层疏松,在压应力作用下导致渗氮层开裂剥落。本研究针对渗氮铁锅开裂剥落的原因提出了相应的改进措施,有效避免了渗氮铁锅开裂剥落。

氨气比例、进气方式及载气氮气对薄带材渗氮试验的影响

研究氨气比例,进气方式以及载气氮气对薄带材渗氮试验的影响,对不同氨气进气方式下试样氮含量分析,结果表明NH3进气方式对极薄带材渗氮影响较大,NH3由上向下喷射比两侧喷射渗氮处理后试样氮含量分布更均匀,渗氮效果更好,随着氨气比例增加,薄带材中氮含量增加,两者之间存在正的函数关系,载气氮气作为催渗剂可促进渗氮反应,最佳的流量为10L/min。

可控气氛井式渗氮炉设计及应用

通过优化可控气氛井式渗氮炉设计,选用集成可变程序控制器及节能材料,采取减少炉内结构件的热变形等措施,实现了对炉温及氮势的在线动态精确控制,提高了设备的运行控制精度及安全可靠性。

渗氮工艺基本原理及特点

渗氮工艺为向钢件表面渗入活性氮原子形成富氮硬化层的化学热处理工艺,分为液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮,按用途可分为强化渗氮和抗蚀渗氮。原理:在400℃以上,氨分子在钢表面分解出活性氮原子(2NH=3H2+2[N]),氮原子被钢表面吸收,溶入固溶体,与铁和合金元素形成化合物,氮原子并向心部扩散,形成一定厚度的渗氮层。

38CrMoAlA、40Cr钢经不同渗氮工艺处理后的性能研究

研究了 38CrMoAlA和 4 0Cr钢经气体渗氮、气体氮碳共渗、离子渗氮处理后渗氮层的组织、硬度、摩擦磨损和腐蚀性能。试验结果表明 ,38CrMoAlA钢渗氮层的硬度及在 3 5 %NaCl溶液中的耐蚀性能高于 4 0Cr钢 ,但抗摩擦磨损性能不如 4 0Cr钢。依气体渗氮、气体氮碳共渗到离子渗氮的顺序 ,渗氮层的抗磨损性能逐次提高 ,但抗腐蚀能力逐次降低。从钢的化学成分、渗氮层的硬度和韧性出发 ,对 38CrMoAlA和 4

31CrMoV9钢离子渗氮层的微动摩擦磨损特性研究

针对31CrMoV9钢基体及其渗氮层,采用切向微动磨损试验机开展球/平面接触模式下的切向微动磨损试验探究了在法向载荷为20 N时,不同位移幅值下(D=5、10、50μm)的切向微动损伤机制和损伤演变规律.采用X射线衍射仪(XRD)对试样表层物相进行分析,扫描电子显微镜(SEM)和白光干涉仪对试样磨损区进行形貌表征,能谱仪(EDS)和电子探针显微分析仪(EPMA)进行化学元素分析.结果表明:离子渗氮处理后在基体表面形成了化合物层和扩散层,显著提高了表面硬度.在法向载荷F_(n)=20 N时,随着微动位移幅值的增大,31CrMoV9基体及其渗氮层的微动运行区均由部分滑移区逐渐向混合、完全滑移区转变,磨损体积增大,磨损更加严重,稳定阶段的摩擦系数逐渐增大.在部分滑移区和完全滑移区,渗氮层较基体在稳定阶段的摩擦系数更小,而在混合区基体的摩擦系数更小在混合区和完全滑移区时,基体及渗氮层的损伤机制均为剥层、磨粒磨损和氧化磨损.离子渗氮生成的化合物层能提高材料的抗微动磨损性能,在D=10和50μm时,磨损率分别降低了约38.5%和70.2%.研究结果可为轨道交通等领域结构件的选材和抗微动磨损设计提供参考.

偏压对活性屏离子渗氮工艺的影响

通过对40C钢进行活性屏离子渗氮处理,研究了在活性屏离子渗氮工艺过程中工件所加的偏压对渗氮层的影响。试验结果表明,在不加偏压或偏压较低的情况下,对距离活性屏较近的工件,其表面有一定厚度的渗氮层形成,硬度提高;而距离活性屏较远的工件,其表面几乎没有渗氮层的形成,但当增大偏压至400~450 V时,工件表面产生弱的辉光放电,距离活性屏较远的工件表面也有渗氮层形成。通过控制偏压值,可以使工件表面形成厚度均匀的渗氮层,提高工件硬度;同时也可以避免直流离子渗氮过程中产生的打弧、边缘效应等问题。

含Ni量、渗氮层深度及喷丸强化对42CrMo齿轮弯曲疲劳性能影响研究

针对不同含Ni量、渗氮层深度和喷丸强化组合的42CrMo齿轮开展弯曲疲劳试验,探究了不同工艺组合的齿轮弯曲疲劳极限提升效果,为齿轮抗疲劳制造提供工艺指导。基于随机森林算法分析了不同工艺组合齿轮的表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量对弯曲疲劳极限的贡献度,采用多元回归建立了考虑表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量的齿轮弯曲疲劳极限预测公式。预测值与试验值相比,最大误差可以控制在7.80%以内,为工程应用中快速、低成本评估齿轮弯曲疲劳极限提供了理论依据。

快速深层渗氮工艺的设计

介绍了快速深层渗氮工艺的设计原理。它由周期性的渗氮和时效组成［１］。通过时效，在ε相和扩散层中形成多种通道，从而强化内扩散过程，还可降低表面氮活度，强化表面对氮的吸收，增强相界面反应，从而达到快速渗氮的目的。生产应用表明，对２５Ｃｒ２ＭｏＶＡ钢离子渗氮３０ｈ，渗氮层深达（０．７５～１．２０）ｍｍ，说明工艺设计思想正确［２］。

表面等离子渗氮对TiAlN涂层TiCN基金属陶瓷性能的影响

针对TiCN基金属陶瓷,调节不同N_(2)/Ar流量比对其进行等离子渗氮,并在渗氮样品表面沉积TiAlN涂层。采用GIXRD、EDS、SEM、HR-TEM、划痕测试、纳米压痕测试和光学图像测试仪等研究了渗氮过程N_(2)/Ar流量比对涂层组织结构、膜基界面状态、力学性能和涂层金属陶瓷刀片切削性能的影响。结果表明,随着N_(2)/Ar流量比的提高,TiAlN涂层晶粒逐渐细化,涂层厚度不断降低,基体表面仍有黏结相残留,进而影响表面涂层的生长和性能。当N_(2)/Ar流量比为1时,膜基界面处存在硬质相生长区和富黏结相生长区两种涂层生长区域,涂层在硬质相表面为共格外延生长,富黏结相区域存在原子排列紊乱的过渡区,涂层为半共格外延生长;涂层(200)晶面取向最强,织构系数为1.91;涂层硬模比(H/E)最高,为0.094。当N_(2)/Ar流量比为2时,TiAlN涂层的硬度和弹性模量均最高,分别为34.15GPa和416.64GPa。在切削加工过程中,切削接触区域主要发生磨粒磨损和粘着磨损。当N_(2)/Ar流量比为1时,涂层TiCN基金属陶瓷刀片切削性能最佳。

离子后氧化对渗氮层结构与性能的调控

目的调控离子渗氮层的结构和性能,获得少无化合物层且满足需求厚度的有效硬化层,同时具有良好的韧性和耐蚀性的离子渗层。方法将42CrMo4钢在温度500℃下离子渗氮5 h后,再进行不同工艺条件下的后氧化处理。通过调整后氧化的实验参数,探索它们对渗氮层结构和性能的影响规律。使用金相显微镜、XRD衍射仪、维氏显微硬度计及电化学工作站分析截面渗层结构、物相、硬度、韧性和耐蚀性。结果在相同的离子渗氮条件(500℃,5 h)下,随着后氧化的温度和时间的改变,离子渗氮形成的化合物层逐渐分解,化合层的厚度逐渐减小,可由9.41μm减薄至3.62μm;经离子渗氮+后氧化处理后,形成的有效硬化层的厚度和表面硬度相较于常规离子渗氮有所提高,其中有效硬化层的厚度由300μm增至378μm,截面最高硬度由765HV0.05增至825HV0.05;渗层表面形成由Fe_(3)O_(4)、Fe_(2)O_(3)组成的氧化膜,提高了其耐蚀性,自腐蚀电位由-658.72 mV提升至-429.23 mV。结论42CrMo4钢经过离子渗氮及后氧化处理后,化合物层显著减薄,有效硬化层显著增厚,且截面硬度、韧性和耐蚀性等指标均得到改善,在后氧化工艺参数为400℃、2 h时获得了最优的综合性能,包括硬度、韧性、耐蚀性。