20钢基体表面熔渗高熵合金工艺及性能研究

《20钢基体表面熔渗高熵合金工艺及性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

毕业设计任务书1．设计的主要任务及目标1）掌握高熵合金的概念、性能特点、制造工艺。2）完成高熵合金在20钢基体表面熔渗工艺实验。3）各种实验条件下获得的熔渗高熵合金试样的制备。4）各种实验条件下获得的熔渗高熵合金的显微组织观察。5）完成各种实验条件下获得的的硬度、耐磨性等力学性能实验。通过上述实验取得表面熔渗高熵合金的合适工艺参数、获得显微组织照片及力学性能的实验数据。2．设计的基本要求和内容1）查阅20篇以上的科技文献。2）完成毕业设计的各项实验任务。3）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。4）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。3．主要参考文献[1]刘源,李言祥,陈祥,陈敏.多主元高熵合金研究进展[J].材料导报,2006,04:6-14.[2]郭卫凡.多主元高熵合金的研究进展[J].金属功能材料,2009,01:49-53.[3]周美玲,谢建新,朱宝泉.材料土程基础[M].北京:北京土业大学出版社,2004:42-43.[4]叶均蔚,陈瑞凯,林树均.高熵合金的发展概况[J].工业材料杂志,1994,224:71-79.4．进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅科技文献，完成开题答辩2014年3月3日—2014年3月16日2高熵合金表面熔渗工艺实验2014年3月17日—2014年4月13日3表面熔渗高熵合金显微组织观察2014年4月14日—2014年5月11日4表面熔渗高熵合金力学性能试验2014年5月12日—2014年6月1日5整理资料，撰写论文，准备答辩2014年6月2日—2014年6月10日 20钢基体表面熔渗高熵合金工艺及性能研究摘要：高熵合金作为新近发展起来的合金体系，打破了传统合金以一种元素为基的格局，具有独特的组织结构和性能特点。高熵合金由五种及以上金属元素组成，每种元素都具有较高的原子百分比，在50%-35%之间。这种合金的突出特点是具有高熵效应，高熵效应的影响使高熵合金具有许多有别于传统合金的组织和性能特点，往往表现出显微结构简单化、纳米析出物及非晶结构、纳米晶粒等组织特征和高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀等性能特点。表面涂层技术是改善模具使用性能的重要手段。目前已开发了多种涂层材料以适应模具不同的使用条件，成形技术也取得了长足的发展。对模具表面涂覆高熵合金获得涂层的技术有很高的研究和使用价值，可以充分利用高熵合金的高硬度、高耐磨性等力学性能优势，提高模具的使用寿命，降低制造成本，是今后模具表面涂层技术的发展目标。本论文选取Al、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Si八种常用的金属元素，将该系列高熵合金涂覆到各基体表面，通过电加热炉加热、感应加热使高熵合金与基体更好的结合，获得在20钢基体表面熔渗高熵合金的合适工艺参数，通过电子显微镜的观察获得显微组织照片，通过性能测试获得力学性能的实验数据。关键词：高熵合金，涂层，硬度 20steelsubstratesurfacealuminizedhighentropyalloystechnologyandperformancestudyAbstract：Highentropyalloy,asanewdevelopingalloysystem,breaksthroughthetraditionalalloydesignframeworkwhichisbasedononemajoralloyelement.Inaddition,itpresentsespecialmicrostructureandnovelproperties.High一entropyalloycontainsfiveormoreelements,eachelementhasahighpercentageofatomsbetween50%and35%.Itisanalloyofthesalient'characteristicsofhigh-entropyeffect.Becauseofthehigh-entropyeffect.high-entropyalloyshasmanydifferentmicrostructureandperformancecharacteristicsfromtraditionalalloys.High-entropyalloysoftenshowthemicrostructureofsimplification,nanoseparationmaterialandamorphousstructure,nano-graincharacteristicsandtheperformanceofhighstrength,highhardness,wearresistance,corrosionresistanceetc.Mouldsurfacecoatinganditsformingtechnologyisanimportantmethodofimprovingmouldoperatingperformance.Variouscoatingmaterialshavebeendevelopedtoadapttothedifferentrequirementsofmouldsandthustheformingtechnologyhasalsomadegreatprogress.Byanalyzingthecurrentsituationofmouldcoatingformingtechnologyanditsapplications,theauthorpointsoutthatthedevelopmenttargetstothemouldcoatingmaterialsanditsprocessingwouldfocusontheoptimizethecoatingmaterialsdesign,increasetheproductingefficiencyandloweringthemanufacturingcost.ThispaperpicksAl、Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti、Sieightcommonlyusedmetals.thisseriesofhighentropyalloyscoatingtothesubstratesurface,throughtheelectricheatingfurnace,inductionheating,keepingbettercombinationofhighentropyalloysandmatrix,obtainedin20steelsubstratesurfacemeltinfiltrationofhighentropyalloyssuitableprocessparametersofmicrostructurewereobtainedthroughtheobservationofelectronmicroscopephotos,mechanicalpropertiesofexperimentaldataobtainedthroughperformancetest.Keyword：highentropyalloys，coating，hardness 目录1前言11.1多主元高熵合金的定义11.2多主元高熵合金的结构特征11.3　多主元高熵合金的性能特点21.4多主元高熵合金的制备工艺31.4.1真空熔炼法31.4.2磁控溅射法41.4.3机械合金化法41.4.4电沉积法41.4.5其他方法41.5多主元高熵合金国内外研究现状41.6高熵合金可应用的领域51.6.1高速切削用刀具51.6.2各类工、模具61.6.3高尔夫球头61.6.4超高大楼的耐火骨架71.6.5化学工程、船舶的耐蚀高强度材料71.6.6涡轮叶片71.6.7电子器件、通讯领域71.6.8其它71.7涂层技术81.7.1高温抗氧化涂层的基本要求81.7.2高温抗氧化涂层的种类92熔渗高熵合金试样的制备112.1配制高熵合金112.1.1合金元素的选择及合金成分的设计112.1.2工艺路线112.1.3实验步骤及过程122.2粘结剂的配制13II 2.2.1粘结剂的概念132.2.2粘结技术的特点132.2.3粘结剂的组成142.2.4粘结剂的配制方法142.3熔渗高熵合金试样的制备142.3.1常规金相试样的制备152.3.220钢熔渗高熵合金试样的制备17320钢基体熔渗高熵合金工艺研究203.120钢的定义203.220钢材料的成分203.320钢组织203.420钢相关性能213.4.1特性213.4.2力学性能223.4.3许用应力223.520钢用途223.6热处理炉加热熔渗高熵合金工艺223.6.1工艺步骤223.6.2工艺温度曲线243.7感应加热熔渗高熵合金工艺243.7.1感应加热的基本原理243.7.2感应加热的特点263.7.3感应加热新工艺27420钢基体熔渗高熵合金组织及性能研究294.1硬度测试294.1.1维氏硬度计的原理294.1.2维氏硬度的表示方法294.1.3维氏硬度实验优缺点304.1.4维氏硬度计的应用314.1.5维氏硬度计的操作步骤31II 4.2金相显微组织观察324.2.1操作步骤324.2.2注意事项324.3基体组织及性能334.3.1基体显微组织334.3.2基体硬度测试344.4感应加热熔渗八组元高熵合金的组织及性能364.4.1感应加热熔渗八组元高熵合金的微观组织364.4.2感应加热熔渗八组元高熵合金的力学性能374.5感应加热熔渗五组元高熵合金的组织及性能394.5.1感应加热熔渗五组元高熵合金的显微组织394.5.2感应加热五组元熔渗高熵合金的力学性能394.6五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的组织及性能414.6.1五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的微观组织414.6.2五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的力学性能414.7组织比较与性能比较434.7.1组织比较434.7.2性能比较43结论45参考文献46致谢47II 太原工业学院毕业设计1前言1.1多主元高熵合金的定义多主元高熵合金由至少5种以上的主要元素构成,混合熵对于这类合金而言,扮演了一个十分重要的角色。熵是热力学上代表混乱度的一个参数,一个系统的混乱度愈大,熵就愈大。根据Boltzmann关于熵变与系统混乱度关系的假设,n种等摩尔元素混合形成固熔体时的熵变(配位熵):ΔSconf=Rln(n),当n=2、3和5时,ΔSconf分别为0.69R、1.10R和1.61R。如果考虑原子振动组态、电子组态、磁矩组态等的正贡献,系统的熵变还要大。传统合金以1种元素为主,其混合熵约小于每摩尔0.693R。为了与传统合金有明显的区别,且充分发挥多主元高乱度的效应,一般定义高熵合金的主要元素数目n≥5。基于以上估算,如果将合金世界以混合熵来区分,传统合金属于低熵合金的范畴,中熵合金则介于高熵合金与低熵合金之间,此范畴主要是指主元素的个数为2～4。当然上述定义只能视为大约的界线。在新合金观念下设计的高熵合金系统无以计数,远超过传统合金,例如从周期表103种元素中的80种金属元素中取13种常用的金属元素配制成五元、六元、七元、八元、九元、十元、十一元、十二元、十三元合金,将可获得7099种合金系统。对于每一种合金系统可设计成简单的等摩尔比合金,也可设计成非等摩尔比合金,当然也可以添加次要元素来改良合金性能[1]。1.2多主元高熵合金的结构特征(1)显微结构简化,不倾向于出现金属间化合物根据经典的Gibbs相率,n种元素的合金系统的平衡相的数目p=n+1,在非平衡凝固时形成的相数p>n+1。按照传统合金的特点,人们都认为多个主元素合金将产生多种金属间化合物,恶化合金的机械性能。然而研究发现多主元高熵合金显微组织中形成简单的体心立方或面心立方相或非晶质,不倾向于形成脆性的金属间化合物,所得相数p远远小于(n+1);他们把其原因归结为高熵效应,高熵是多主元合金的特色,因二元、三元、四元、五元、六元的合金的混合熵ΔS分别为5.8、9.2、11.6、13.4、15.0J·mol-1·K-1,高熵合金的混合熵高于传统合金熔化时的熵(7～11J·mol-1·K-146 太原工业学院毕业设计)。根据Gibbs自由能表达式:ΔGm=ΔHm-TΔSm,ΔHm、ΔSm分别是固溶体的形成热焓和形成熵,T为温度。高熵合金的相变与显微结构的变化的温度是在500℃和1500℃之间,所以当T为500℃、1000℃、1500℃时,对应的TΔSm为11.5kJ·mol-1、18.9kJ·mol-1、26.4kJ·mol-1,其值大于ΔHm,故ΔG<0,元素能够有效地混合形成合金;当系统的混合熵大于形成金属间化合物的熵变,就会抑制脆性金属间化合物的出现,促进元素间混合形成简单的体心立方(BCC)或面心立方(FCC)结构;如果合金系统的混合熵效应减弱,也会在形成BCC相内析出金属间化合物。(2)纳米析出物与非晶质结构高熵合金的微结构的另一特点是倾向于纳米化,甚至非晶化。高熵合金的这一特点,研究者认为主要与动力学有关,因为多个元素的扩散和重分配会延后相的成核与成长,有利于纳米相的形成。即使高熵合金在传统熔解凝固的情况下,都会有纳米相的分布;对于快速凝固和真空镀膜,更会有纳米化甚至非晶化的倾向。(3)纳米晶粒高熵合金经加工后可得到纳米晶粒。例如FeCoNiCrCuAl0.5高熵合金经50%压下率冷压后,树枝晶内部出现纳米结构,大小约数纳米到数十纳米。1.3　多主元高熵合金的性能特点(1)　高熵合金强度与硬度高例如Al11.1(TiVCrMnFeCoNiCu)88.9合金的压缩强度到达2.431GPa,这是固溶强化机制和结构由FCC到BCC的转变所致。高熵合金铸态组织硬度为600～900HV,相当于或者大于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化后的硬度;改变合金元素的含量,可以提高合金的硬度。(2)　高熵合金大部分具有耐回火软化特性例如,在1000℃退火24h炉冷到室温,其硬度约相等,有时甚至有析出硬化特性,这与传统合金不同,碳钢淬硬化后再回火有明显的软化现象,耐高温的高速钢也在高于550℃温度下发生软化。而含有Cr或Al的高熵合金在高达1100℃的温度下有优异的抗氧化性能(3)　高熵合金具有耐磨特性研究AlxCoCrCuFeNi高熵合金的粘着磨损行为发现:当铝的含量较低时(x=0.5),合金由简单的FCC结构组成,x=1.0时,形成FCC+BCC46 太原工业学院毕业设计的混合结构;在磨损的表面,FCC区域有深的磨损凹槽,而BCC区域是光滑的,在光滑区域,虽然已经发生氧化磨损,但以层状磨损为主;当铝含量较高时(x=2.0),合金的硬度提高,产生氧化磨损,氧化膜有助于抵抗磨损,故合金的抗磨损性能提高。(4)高熵合金具有优异的耐蚀性例如在室温下Cu0.5NiAlCoCrFeSi高熵合金在1mol/L的NaCl和1mo/L的H2SO4溶液中总的抗腐蚀能力优越于304型不锈钢。如果高熵合金显微组织中存在偏析,如FeCoNiCrCux高熵合金铜偏析于枝晶间,随着铜含量的增加,合金在3.5%NaCl溶液中的局部腐蚀倾向也增大,这是因为合金中富铜区(枝晶间)和贫铜区(枝晶)形成活跃的原电池导致枝晶间区域先被腐蚀。另外,高熵合金具有软磁性及高电阻率,在高频通讯器件方面有很大的应用潜力。高熵合金具有高强度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐磨性、耐腐蚀、高电阻率等性能,其特性优于传统合金。这些特性都源于高熵合金易形成固溶体、纳米结构与各元素混合的鸡尾酒效应。高熵合金源于中国台湾,近期也受到国内外学者的关注,如北京科技大学张勇教授课题组研制并研究AlCoCrFeNiTix高熵合金体系的力学性能,剑桥大学的KimKB等也在研究等摩尔多主元合金［2］。1.4多主元高熵合金的制备工艺台湾学者首次制备高熵合金的方法是真空电弧炉熔铸法,而后运用磁控溅射方法制备多主元高功能合金镀膜,近期印度的S.Varalakshmi等运用机械合金化的方法也成功制备了AlFeTiCrZnCu高熵合金。高熵合金可以采用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷涂法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜,使其应用多姿多彩［2］。1.4.1真空熔炼法这是制备高熵合金最常用的方法,包括真空电弧熔炼法和真空感应熔炼法.真空电弧熔炼是在真空下,利用电极和坩埚两极间电弧放电产生的高温作为热源,将金属熔化，在坩埚内冷凝成锭的过程。它的优点是熔炼温度高，可以熔炼熔点较高的合金，并且对于易挥发杂质和某些气体（如氢气）的去除有良好的效果。46 太原工业学院毕业设计真空感应熔炼的原理是熔炼炉中的感应线圈通入交流电时产生交流磁场，交流磁场在炉内的金属炉料中产生感应电动势，因集肤效应产生交流电流，炉料本身的电阻转换成感应热使金属熔化。它的优点是可以一次性熔炼较多的合金，但无法熔炼高熔点的合金[3]。1.4.2磁控溅射法磁控溅射法又称为高速低温溅射法，是一种十分有效的薄膜沉积方法，常用于微电子、光学薄膜、材料等领域的薄膜沉积和表面处理等。它具有溅射速率高，基片温度低，可控性和重复性好，镀膜层与基材的结合力强，镀膜层致密均匀，成份容易控制等优点。到目前为止已有多篇关于利用磁控溅射法制备高熵合金的报道。1.4.3机械合金化法机械合金化是用高能研磨机或球磨机实现固态合金化的方法，它是制备先进固体材料的一种常用方法，是Benjamin及其合作者在20世纪60年代末为研制氧化物弥散强化(ODS)镍基高温合金而开发的一种材料合成加工技术。在高熵合金研究中，可利用机械合金化法来制备纳米尺度合金粉体材料，或进而采用粉末冶金的方式制备块体材料。目前已有文献报道机械合金化法制备高熵合金的研究。1.4.4电沉积法电沉积是一种在水溶性或有机溶性电解液中，将电源与浸没在电解液中的阴阳两级相连接，通过发生电化学反应，金属阳离子在阴极基底上发生还原反应析出致密纯金属或合金的方法。有关电沉积制备多主元高熵合金薄膜的文献已见报道。1.4.5其他方法除了以上制备方法外，还有文献报道利用热喷涂制备高熵合金薄膜和真空熔体快淬法制备高熵合金非晶薄带。可见，高熵合金既能用传统方法也能用比较先进的方法制备，使其应用范围很广［4］。1.5多主元高熵合金国内外研究现状46 太原工业学院毕业设计由于高熵合金是一个新合金世界,具有学术研究意义和很大的工业发展潜力。会为合金业应用带来一场新的变革,为社会带来新的效益。所以上世纪九十年代高熵合金的概念刚出现就受到了国内外学者的关注。目前,国内外有许多学者在研究高熵合金的理论及材料体系。不过,目前国内外学者对高熵合金的研究,主要集中在制备方法的研究,并且针对具体合金系,研究元素含量对合金组织、性能的影响。研究对象主要是在Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn等元素中选配的5~8元合金;所研究的性能主要是常规力学性能,如硬度、抗压强度、耐磨性、耐蚀性等,其它性能研究相对较少,数据不多。微观机理方面的研究尚未真正展开,仅清华大学和北京科技大学的学者做了少量探索。从研究成果来看,目前还是台湾清华大学的研究处于领先地位,已有多项发明专利。由于高熵合金拥有很多优异的特性,并可通过适当的成分设计进行强化,其性能不亚于传统合金,潜在的应用前景十分广泛。高摘合金的实际应用除可利用其良好的力学性能外,还可利用其光学、电学和磁学等各种物理、化学特性。例如:高硬度且耐磨耐高温的工具、模具和刃具;高尔夫球头的击打面、油压气压杆、钢普及轧压筒的硬面;高频变压器、马达的各种磁性器件;工厂、轮船的耐蚀高强度材料;涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的材料等.高熵合金是一个全新的合金领域,它跳出了传统合金的设计框架,是具有许多优异性能的特殊合金系,是一个可合成、分析和控制的合金新世界,可以开发出大量的高技术材料,而且可以采用传统的熔铸、锻造、粉末冶金、喷徐法及镀膜法来制作块材、涂层或薄膜,对干传统的钢铁产业而言,是一个新的发展方向。就实用性而言,若无法找到功能合适的传统合金,高熵合金或许可以适用。高熵合金具有高强度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐磨性、耐腐蚀、高电阻率等性能,其特性优于传统合金。这些特性都源于高熵合金易形成固溶体、纳米结构与各元素混合的鸡尾酒效应。在不久的将来,高熵合金的广泛使用会为合金业应用带来一场新的变革,为社会带来新的效益。1.6高熵合金可应用的领域1.6.1高速切削用刀具46 太原工业学院毕业设计高熵合金具有较高的硬度和耐磨性。多数高熵合金的铸态组织硬度为600～900HV，相当于或者大于碳钢及合金碳钢的完全淬火硬化后的硬度；改变合金元素的含量，还可进一步提高合金的硬度。而且高熵合金还通常表现出很高的耐热性，例如，Al0.3CoCrFeNiC0.1高熵合金在700～1000℃时效处理72h后，合金硬度非但没有下降，反而有不同程度的提升。普通高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的有效切削加工温度在600℃以内，温度再高，刀具会明显钝化。此外，高速钢刃具在获得高硬度、高耐磨性的同时，牺牲了钢材的塑性、韧性。钢材塑性、韧性较差，则刀具常常出现折断、崩刃等失效形式。而高熵合金在获得高硬度的同时，具有较好的塑性、韧性。例如，FeCoNiCrCuAl0.5经50%压下率冷压（即冷压合金时的塑性变形量达到50％）后，非但没有出现任何裂纹，反而在枝晶内部出现了纳米结构，大小约数纳米到数十纳米［5］，合金硬度得到进一步提升；AlCoCrFeNiTi1.5在32%以内的压下率内冷压，也表现出非常好的延展性。这么大比例的压下率，对于高速钢来说是不可想象的。故而高熵合金应用于高速切削刀具的制造具有明显的优势。此外，磁控溅射法制备高熵合金镀膜的成功，可以在普通钢制刀具表面镀上一层高熵合金薄膜，镀膜厚度在2.5μm以内。这样一来，既可以获得良好的切削加工性能，又能节约成本。1.6.2各类工、模具高熵合金具有高硬度、高耐磨性、高强度及优良的耐高温性能、耐蚀性，使之非常适合制备各类工、模具，尤其是挤压模和塑料模。例如，AlCoCrFeNiTi1.5的抗压强度高达2.22GPa，含有Cr或Al的高熵合金具有高达1100℃的优异抗氧化性能。普通模具钢则无法兼顾耐磨性、耐蚀性、耐高温性及良好的塑性。1.6.3高尔夫球头高硬度、高耐磨性和较低的弹性模量，使高熵合金非常适合制作高尔夫球头打击面。高熵合金制成的高尔夫球头，可以在保证球头打击面具有较长使用寿命的同时，将球击打得更远，从而提升产品档次，增加产品附加值。46 太原工业学院毕业设计1.6.4超高大楼的耐火骨架美国“9·11”事件中，双塔的整体坍塌很大程度上是因为大楼骨架钢筋受热后强度急剧下降，从而无法负荷大楼重量所致。随着土地资源的紧缺，国内外修建超高大楼的案例将越来越多，因而超高大楼的耐火安全性正引起人们越来越多的重视。高熵合金具有极高的抗压强度和优良的耐高温性能，用做超高大楼的耐火骨架，可以使大楼在发生意外火灾而导致楼体温度较高时保持原有的承重能力，保证大楼的安全，减少人员和财产的损失。1.6.5化学工程、船舶的耐蚀高强度材料高熵合金的耐蚀性优异。室温条件下，高熵合金Cu0.5NiAlCoCrFeSi在1mol/L的NaCl和0.5mol/L的H2SO4溶液中的耐蚀性比304不锈钢（相当于我国钢号中的OCr18Ni9）还要好；CuAlNiCrTiSi合金在5%的HCl溶液中比304不锈钢更加耐蚀，在10%的NaOH溶液中也远比A309铝合金耐蚀。因此，高熵合金可广泛用于耐高压、耐腐蚀化工容器及船舶上的高强度耐蚀件。1.6.6涡轮叶片高熵合金良好的塑性使其易于制成涡轮叶片，而其优良的耐蚀性、耐磨性、高加工硬化率及耐高温性能，可保证涡轮叶片长期、稳定地工作，提高服役安全性，减少叶片的磨损、腐蚀失效。1.6.7电子器件、通讯领域高熵合金具有软磁性及高电阻率，因而在高频通讯器件中有很大的应用潜力。可用以制作高频变压器、马达的磁芯、磁屏蔽、磁头、磁碟、磁光碟、高频软磁薄膜以及喇叭等。1.6.8其它46 太原工业学院毕业设计高熵合金集众多优异性能于一身，可以应用的工业领域非常广阔。除了上面提到的领域外，高熵合金还可用作焊接材料、热交换器及高温炉的材料等。高熵合金的非晶形成能力较强，某些高熵合金能在铸态组织中形成非晶相。而传统合金要获得非晶组织，需要极大的冷却速度将液态原子无规则分布的组织保留到室温。非晶态金属的研究是近年来才兴起的，由于结构中无位错，具有很高的强度、硬度、塑性、韧性、耐蚀性及特殊的磁学性能等，应用也极为广泛。制备非晶态高熵合金无疑将进一步扩大高熵合金的应用领域［6］。1.7涂层技术涂层技术是利用制备于碳材料表面的抗氧化涂层隔绝基体与氧化性气体直接接触,从而达到抗氧化的目的。这种方法不以牺牲原碳材料自身优异性能为代价,且最终制备的复合材料的使用温度高、寿命长,还可根据需要设计涂层结构和成分,应用性强。1.7.1高温抗氧化涂层的基本要求高温抗氧化涂层作为材料的防护体系,在材料的应用中作为部件的一部分与基体一样承担着一定的机械或化学性能,且它的化学物理变化也将影响整体部件的性能。因此在制备抗氧化涂层时必须考虑到应用过程中,环境因素及涂层结构中各个组成部分的相互影响,用于碳材料的高温抗氧化涂层应该具有以下几项基本要求（1）具有较低的氧气渗透能力,能够提供有效的防护屏障,以阻止氧气在材料外界面和组织结构内部的扩散;（2）涂层与基体材料之间具有良好的化学与物理相容性、稳定性和较高的粘结强度;（3）涂层不能对氧化反应有催化作用;（4）涂层具有低的挥发性,以防止材料在高速气流中或高温条件下工作时,涂层自身过度损耗而失效;（5）涂层不能影响碳材料原有的优异机械性能,避免组分间有害的相变发生,以免影响整体部件性能;（6）涂层与基体材料之间具有良好的热膨胀系数匹配和界面结合能力,以免在热震或高温氧化作用下开裂或剥落;（7）涂层致密,具有高温自愈合能力,在出现裂纹时能够封堵裂纹;46 太原工业学院毕业设计（8）具有良好的耐腐烛、耐冲击性能,能够满足各种环境需求。1.7.2高温抗氧化涂层的种类到目前为止,国内外对涂层的研究比较广泛,涂层种类多种多样,已经研制的碳材料的涂层体系主要有玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层、复合涂层。（1）玻璃涂层玻璃涂层的抗氧化原理是借助玻璃在高温下低點度和润湿性以及热稳性的特点来填补在材料服役时由于机械变形而产生的裂纹。除此之外,玻璃在高温下具有很好的流动性,在较高温度下能够封堵基体材料的孔隙,从而减少碳材料自身的氧化活性点,提高其抗氧化性能。另一方面,娃酸盐玻璃的氧渗透速率较低,对涂层抗氧化性能的发挥有促进作用。李贺军等人开发的磷酸盐涂层性能够满足700°C的长期使用及900°C的上百次热震试验。国外报道的含有、锌、锂、钠、铜元素氧化物的玻璃涂层的抗氧化能力已达到800°C。但是单层玻璃涂层在很高的温度下的流动性和挥发性大大限制了应用,只能用于较低温度下的氧化保护。（2）金属涂层金属涂层是利用具有低的高温氧扩散系数的高溶点金属来提高材料的高温抗氧化性能。来中红等采用溶楽法在C/C复合材料表面制备Mo-Si系涂层,后经氮气处理得到Mo-Si-N系抗氧化涂层,其抗氧化温度达到1400℃。V.S.Terentieva等人成功制备的Mo-Si-Ti合金涂层可以在氧化性气氛下经受1775℃氧化2h,并且复合材料的性能及形貌不发生明显的变化。（3）陶瓷涂层陶瓷涂层是利用高温下Si02或反应生成的Si02来填充涂层中的裂纹等缺陷,作为密封物质来阻挡氧气的渗入,降低材料的氧气渗透能力,从而提高基体抗氧化性能。但是由于涂层与基体之间存在热膨胀差异,单一的陶瓷涂层在高温下容易产生裂纹,并且裂纹愈合效果不佳,使用受限。（4）复合涂层46 太原工业学院毕业设计由于单一涂层材料往往难以满足抗氧化性能的要求,因此涂层成分越来越趋于多元化、复合化。复合涂层能够弥补单一涂层的众多缺点,从而得到广泛的应用。为满足不同的性能要求,涂层成分更为复杂、更具针对性;在复合涂层中,各单一成分涂层的厚度越来越薄,并逐步趋于纳米化;涂层工艺温度越来越低,涂层工艺向更合理的方向发展。复合涂层是通过多种单一涂层结合使用充分取长补短,以达到更好的抗氧化效果［7］。46 太原工业学院毕业设计2熔渗高熵合金试样的制备2.1配制高熵合金与传统合金相比,高熵合金是打破以某一元素为主的格局的全新理念合金,呈现多主元化。目前,国内主要通过溶炼、粉末冶金、烧结等方法制备高摘合金,可选用的元素相当广泛,主要包括第四周期元素及Ge、Mo、Hf、Ag、B、Si等元素,有些学者把稀土元素作为添加剂加入到高摘合金中去,从而研究稀土元素对高炮合金性能、晶体结构及显微组织的影响,有利于推动高熵合金的发展。本实验主要是对Al-Cr-Co-Fe-Ni-Mo-Ti-Si(摩尔比为1:1:1:1:1:1:0.75:0.25)八组元高熵合金和Al-Cr-Co-Fe-Ni（摩尔比为1:1:1:1:1)五组元高熵合金的显微组织、晶体结构、力学性能进行实验分析。2.1.1合金元素的选择及合金成分的设计本文选用Al、Cr、Co、Fe和Ni五种元素,所选原材料均为高纯金属材料,其中Cr、Co、Fe、Ni四种元素为第四周期的副族元素,原子尺寸相近,有利于形成无限固溶体,合金自由能趋于最低,结构最为稳定,第三周期A1元素的原子半径较大,并且其固溶度随着温度变化,在高温和常温下对其它元素固溶度的差异较大,A1元素的加入,可能引起合金的晶体结构发生畸变,产生固溶强化现象[8]。随后，我们又加入Ti、Mo和Si元素配制成八主元高熵合金。对这俩种高熵合金进行实验研究。2.合金成分设计及配料实验试样制备硬度测试金相组织观察1.2工艺路线图2.1高熵合金工艺路线46 太原工业学院毕业设计2.1.3实验步骤及过程在制备高熵合金之前，根据元素摩尔质量以及摩尔比换算出八组元高熵合金AlCrCoFeNiMoTiSi和五组元高熵合金AlCrCoFeNi所需称量的纯金属的质量。具体做法见表2.1和表2.2表2.1AlCrCoFeNi合金中各元素质量AlCrCoFeNi摩尔质量（g/mol）2752595658.7物质的量（mol）0.50.50.50.50.5质量（g）13.52629.52829.35表2.2AlCrCoFeNiMoTiSi合金中各元素质量AlCrCoFeNiMoTiSi摩尔质量（g/mol）2752595658.7964828物质的量（mol）1111110.750.25质量（g）2752595658.796367使用TN-100C型托盘扭力天平称量净化后的高纯金属粉末，将称好的各元素金属放到干净的铁盒子里，用XSB—88型标准振筛机（见图2.2）充分摇匀。将摇匀的高熵合金粉末装入玻璃瓶中贴标签保存，以供后续实验使用。按照上述方法分别配制好AlCrCoFeNiMoTiSi和AlCrCoFeNi合金。46 太原工业学院毕业设计图2.2XSB—88型标准振筛机表2.3技术参数筛具最大直径200MM筛层叠高400MM回转半径12.5MM筛摇动次数221震击次数147上下震幅行程5MM定时范围0-60分钟电动功率0.37KW电压380V转速2800重量78KG2.2粘结剂的配制　　　粘结技术是一门独立的边缘学科.它采用新材料.新工艺.是现代科学技术的一门新技术。它其有快速、牢固、经济及节能等特点。可代替部分铆接、焊接和机械装配等烦琐工艺，既节省时间、费用，同时对提高产品质量和提高劳动生产率起很大作用。2.2.1粘结剂的概念　粘结技术使用的材料是粘结剂，又称胶粘剂或粘合剂。它是既能把同种材料粘结在一起，也能将性质截然不同的两种材料枯结在一起。2.2.2粘结技术的特点46 太原工业学院毕业设计与铆接、焊接、螺钉连接方法相比，粘结技术具有的优点是:可以粘结不同性质的材料和不能用铆、焊方法连接的金属薄板箔以及微型、异型等复杂工件;粘结接头应力分布均匀，有良好的抗疲劳强度;整个粘结接头部分都承受负荷，因此力学强度较高;粘结接头具有优良的密封、绝缘和抗腐蚀性能，同时还能防止金属发生电化学腐蚀;粘结工艺温度低。　　　与铆接、焊接、螺钉连接方法相比，粘结技术的缺点是:粘结接头抗剥离强度、不均匀扯离强度和冲击韧度较低;粘结质量检查困难;枯结剂的老化问题，耐热性差等。2.2.3粘结剂的组成天然粘结剂的组成比较简单，合成粘结剂大多是由多致成分混合配制而成。这些组成按其作用不同一般分为:基料、固化剂与硫化剂、增塑剂与增韧剂、稀释剂与溶剂等.有的还加人其他附加剂。本实验选用松香和松节油以1:3比例配制粘结剂。2.2.4粘结剂的配制方法（1）将固体松香打碎、碾磨成粉末，并用筛子筛出细小均匀粉末。（2）用TN-100C型托盘扭力天平按1:3比例称量所需松香和用量筒量取松节油。（2）将松香缓慢的加入松节油中，并不断搅拌至饱和溶液。可适当加热，加快松香溶解速度。2.3熔渗高熵合金试样的制备金相试样制备是通过取样、磨光、抛光、侵蚀等步骤，使材料成为具有金相观察要求的过程。制备的试样必须具有清晰的视场和真实的组织形貌，为此必须采取一系列的措施以避免出现假象。如淬火试样在制备过程中表面产生局部过热而回火，或非淬火试样表面局部过热而淬火，都会使组织失真。抛光不当会造成夹杂物、石墨等的脱落，在试样表面上留下点坑或拖尾。抛光不当还可能使试样表面产生变形而干扰了组织的真实形貌。因此，试样制备是非常重要的，试样的选取也必须具有代表性。一般按研究内容或检验标准(UB/T13298一1991《金属显微组织检验方法》)的规定选取并制备试样。46 太原工业学院毕业设计取样磨光抛光侵蚀图2.3金相试样制备工序2.3.1常规金相试样的制备（1）试样的磨光与抛光一般手工磨光操作过程如图2.4所示。在磨光和抛光过程中，要特别注意的是:图2.4手工磨制试样示意图①手工细磨时，不管砂纸粗细，试样磨过之后，砂纸上留下的整个痕迹颜色深浅要一致、宽度和试样磨面大小相同，不要有弧线的痕迹出现。只有这样才有可能保证整个磨面的平整，减少试样倒棱现象，为组织评定，特别是表面处理表层组织评定打下良好基础。②抛光织物和抛光微粉的选择根据各实验室实际条件的不同以及操作者的习惯而定。Cr2O3水悬浮液中滴几滴铬酸酐水溶液并和呢子配合抛光铸铁试样，能很好的显现石墨的颜色、形态。用帆布抛光表面处理的试样，倒棱较小。帆布和Al2O3配合抛光铝合金试样，效果较好。金刚石高效喷雾剂和呢子配合，抛光所有的试样，特别是硬度较高的试样，如淬火以及淬火回火试样，抛光时间短，2min左右就可以使试样表面划痕基本去除。如果用不同的抛光盘分别对试样进行粗抛(使用W3.546 太原工业学院毕业设计高效喷雾剂)、精抛(用W1高效喷雾剂)，效果更佳。试样抛光时间一般在3~5min为宜。时间太短，磨光时留下的划痕不能完全消除。时间太长，试样表面会由于硬粒子的脱落产生凹坑，对于材料较软的试样，有可能产生新的划痕，就需要重新磨光。③抛光试样的自检。抛光好的试样，在自然光源下闪动并目测试样表面的划痕方向，如果划痕在试样中心并互相平行，说明抛光不彻底，需要继续抛光;如果划痕是互相垂直的，说明磨光时后一道砂纸没有把前一道砂纸留下的划痕完全消除，若划痕比较深并且很粗，试样就需要重新磨光;如果试样表面划痕杂乱无章，说明抛光时产生了新的划痕，需要把抛光布取下清洗干净再使用。（2）试样的侵蚀试样侵蚀的时间长短和材料、处理状态、侵蚀剂的新旧程度等有关。侵蚀时间太短，显微组织不能有效的显示出来。侵蚀过度，显微组织又模糊不清，对正确鉴别及准确评定显微组织都有很大的影响。侵蚀合适的试样，其显微组织应该一目了然，观察时给人一种清新舒适的感觉。化学擦拭法侵蚀试样的一般步骤为:水冲洗抛光试样→擦酒精→试样侵蚀→水冲洗试样→擦酒精→吹干。第一道擦酒精是利用其浸润性，使侵蚀剂和试样表面作用以达到侵蚀的目的;第二道擦酒精是利用其挥发性，使试样表面的酒精很快蒸发以达到干燥的作用。试样侵蚀后的显微组织是否清晰，还和侵蚀时第二道擦酒精有着密切的关系。对于铁碳合金平衡组织来说，含碳量依次由低到高，侵蚀时间由长到短(工业纯铁的时间在20s左右，共析钢以上的碳钢的时间在10s左右即可)，试样表面的颜色变化由银灰色到花色(其他热处理的碳钢试样约10s左右，显微组织颜色为深灰色)。具体操作方法为:水冲洗试样、擦酒精，然后把抛光好的试样表面倾斜约450，用蘸有侵蚀剂的棉球擦拭试样表面，不断观察其颜色的变化并在心里默计时间长短，确认侵蚀时间己到，立即用流动水冲洗试样，再擦酒精(这道工序是试样表面干净与否的关键)，用蘸有酒精的棉球自上而下慢慢擦拭侵蚀过的试样表面，稍微用力(主要是挤出棉球中的酒精)，一边擦拭，酒精一边挥发，当试样表面擦拭完毕，酒精应在极短时间内完全挥发，然后先用电吹风的凉风吹干试样表面，再用热风把试样周围吹干，最后置于光学显微镜下观察组织[9]。严禁把表面潮湿的试样放在显微镜下。46 太原工业学院毕业设计电吹风吹干试样时，由于其风力小，所以需要的时间较长。如果试样表面遗留较多的酒精，对于初学者来说，吹干后的试样在观察时常常会发现有一层淡蓝色的薄膜或个别的花斑覆盖在显微组织上，这是酒精未能及时挥发而粘附在试样表面的结果。要彻底消除这种现象的发生可采取如下措施:对于有条件的实验室，可购置一台小型空压机，用压缩空气代替第二次擦酒精及电吹风吹干试样这两个步骤，不但可以节约无水乙醇，还可使试样在瞬间干燥，并能有效防比试样表面产生花斑。经实践验证，这种方法对所有的金相试样都有较好的效果。其操作步骤是:水冲洗抛光试样一擦酒精一涂侵蚀剂一水冲洗试样一空压气泵吹干试样。由于从空压机喷嘴出来的空气压力大，风力也大，所以可以使试样瞬间干燥，防止了一些制样缺陷的产生[10]。2.3.220钢熔渗高熵合金试样的制备本次研究所用基体试样是直接买的实验试样，是已经切好的基体，所以不需要取样这一步。（1）用砂纸打磨基体试样，目的是去除表面氧化层，待试样表面光亮洁净即可。（2）将打磨好的基体试样放在煤油中清洗，最后再用吹风机将基体材料彻底吹干。（3）将配制好的高熵合金粉末和粘结剂调成牙膏状，均匀的涂抹在基体材料的表面上，涂层的厚度限制在1.0~2.0mm之间。涂抹完成后要保证涂层平整，没有涂层缺陷或涂层流失的现象。（4）把涂抹好的基体放入GQ70B型电热恒温干燥箱（见图2.5）加热烘干，烘干温度控制在100C，烘干时间8h。（5）利用热处理炉加热熔渗工艺对试件加工处理。（6）利用感应加热熔渗高熵合金工艺对试件进行处理。（7）粗磨。用粗砂纸打磨基体表面，待试样表层平整、磨痕均匀一致后，粗磨即告完成。（8）细磨。用由粗到细的各号砂纸打磨基体表面，直至转盘径向往复移动，直至被磨制平面上仅有单一方向的磨痕为止，至此，更换更细的砂纸，进一步磨制。待基体表面光亮无明显划痕后，细磨完成。细磨的目的是将粗磨留下的较深磨痕去掉，为抛光工序做好准备。注意，每次更换砂纸后，新的磨制方向必须保证与旧磨痕的方向垂直。当旧磨痕完全去除后更换下一道砂纸，如此反复。一般而言，试样磨制从240#到600#砂纸就可以了。46 太原工业学院毕业设计（1）抛光。用PG—2D型金相试样抛光机（见图2.6）抛光试样。抛光是为了消除试样细磨时在磨面上留下的细微磨痕，使之成为光亮无痕的平整镜面[11]。抛光的方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等，其中，机械抛光是现阶段应用最广泛的抛光方法。抛光步骤分为粗抛和精抛两步。抛光织物和磨料的选择应随被检试样材质及检验目的不同而不同。如抛光较硬的材料—钢铁，粗抛常用帆布、呢纶等。精抛则用短毛细软呢绒等。尤其是分析钢中夹杂物或铸铁中石墨时，不能使用长毛呢绒，用长毛呢绒抛光会产生:“曳尾”现象，使夹杂物和石墨易于抛掉，无法确切检验。对较软的金属和合金要用软的织物。理想的抛光磨料应具有高的硬度，至少等于被抛光材料的硬度，且力度分级细致，尺寸均匀。检验中，金刚石磨料是目前使用最广泛的。抛光时，应确保试样磨面与抛光盘平行并均匀地轻压在抛光盘上，注意避免试样飞出和因压力过大而产生新磨痕。试样沿转盘径向往复移动时还应自转，以免抛光织物局部磨损和出现“曳尾”。在抛光过程中要保证湿度适中，湿度太大会减弱抛光的磨削作用，使试样中较硬相呈现浮凸，更会使钢中非金属夹杂物及铸铁中石墨相产生“曳尾”现象。湿度太小时，润滑作用减小，磨面失去光泽，甚至出现黑斑，轻合金则可能抛伤表面。当抛光面没有磨痕明亮如镜时，抛光完成。否则继续抛光直至磨痕完全消除为止。（2）腐蚀。试样在硝酸酒精溶液（HNO3含量为4%）中腐蚀。腐蚀的目的是将金属的显微组织显现出来。常用金相组织显示法有化学腐蚀法、电解腐蚀法、金相组织特殊显示等。试样腐蚀是较为关键的，腐蚀过浅或过深、表面不干净，特别是有石墨存在的铸铁，试样表面很容易产生花斑，这些都会使显微组织特征不明显，增加显微组织评定困难。金相试样腐蚀的一般步骤为:水冲洗试样一擦酒精一涂腐蚀剂一水冲洗试样一擦酒精一吹干。试样腐蚀时间长短及腐蚀剂的选择视材质的不同来确定。如果腐蚀效果不理想，应将试样从粗磨步骤开始重新制样，直至能清晰显示出显微组织[12]。表2.5技术参数抛盘直径220mm转速700r/min~900r/min电动机YS71160.2kW380V（220V定制）50Hz外形尺寸800×520×940mm重量73kg图2.6PG—2D型金相试样抛光机图2.5GQ70B型电热恒温干燥箱表2.4GQ70B型电热恒温干燥箱电流9.1A容积35×45×45CM误差±1℃电压220V电功率2000W温度范围50~250℃46 太原工业学院毕业设计图2.6PG—2D型金相试样抛光机表2.5抛光机技术参数抛盘直径220mm转速700r/min/900r/min电动机YS71160.2kW380V（220V定制）50Hz外形尺寸800×520×940mm重量73Kg46 太原工业学院毕业设计320钢基体熔渗高熵合金工艺研究3.120钢的定义20钢的20是指含碳量，含碳量为0.2%，属于低碳钢。钢中可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。低碳钢含碳量一般小于0.25%；中碳钢含碳量一般在0.25～0.60%之间；高碳钢含碳量一般大于0.60%。钢中除含有碳(C)元素和为脱氧而含有一定量硅(Si)(一般不超过0.40%),锰(Mn)(一般不超过0.80%,较高可到1.20%)合金元素外,不含其他合金元素(残余元素除外)。含碳量低于2.1%为钢，含碳量高于2.1%为铁。钢中含碳量越高其韧性越差，铁中含碳量越高其韧性越好。3.220钢材料的成分表3.120钢各元素含量元素碳（C）硅（Si）锰（Mn）硫（S）磷（P）铬（Cr）镍（Ni）铜（Cu）含量（%）0.17%～0.24%0.17%～0.37%0.35%～0.65%≤0.035%≤0.035%≤0.25%≤0.25%≤0.25%3.320钢组织46 太原工业学院毕业设计侵蚀剂：4%硝酸酒精材料及状态：20钢光学放大倍数：7×40标尺单位：1μm图3.120钢基体组织3.420钢相关性能3.4.1特性（1）特性。该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为253-500MPa，伸长率≥24%。正火可促进该钢球化，细化大块状先共析铁素体，改进小于160HBS毛坯的切削性能。该钢模具零件工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成型→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。（2）供货状态及硬度。未热处理态，硬度≤156HBS。（3）参考对应钢号我国GB/JB的标准钢号是20、我国台湾CNS标准钢号S20C、德国DIN标准材料编号1.0402、德国DIN标准钢号CK22/C22、英国BS标准钢号IC22、法国AFNOR标准钢号CC20、法国NF标准钢号C22、意大利UNI标准钢号C20/C21、比利时NBN标准钢号C25-1、瑞典SS标准钢号1450、西班牙UNE标准钢号F.112、美国AISI/SAE标准钢号1020、日本JIS标准钢号S20C/S22C46 太原工业学院毕业设计3.4.2力学性能（1）相变点温度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃（2）正火规范温度920~950℃，出炉空冷。硬度131~156HBS。（3）冷压毛坯软化处理规范温度700~720℃，保温时间8~15h，再以50~100℃/h的冷速，随炉降至温度≤550~600℃，出炉空冷。（4）处理前硬度≤143HBS，软化后硬度≤131HBS。（5）淬火规范温度910℃±10℃，10%NaCl盐水冷却。（6）实测屈服强度fy=245Mpa，弹性模量E=206Gpa，泊松比ν=0.3。（7）抗剪强度275~392MPa,抗拉强度为253~500MPa，屈服强度为275MPa，延伸率为25%3.4.3许用应力（1）20号钢在225℃下的许用应力：(16－36mm)111-124MPa之间;(6-16mm)之间117－131MPa（2）20号钢在100℃下的许用应力：150℃时,20号钢钢管的许用应力为130MPa,20号钢锻件的许用应力为108MPa3.520钢用途适用于制造汽车、拖拉机及一般机械制造业中建造不太重要的中小型渗碳碳氮共渗等零件，如汽车上的手刹蹄片、杠杆轴、变速箱速叉、传动被动齿轮及拖拉机上凸轮轴、悬挂均衡器轴、均衡器内外衬套等；在热轧或正火状态下用于制造受力不大，而要求韧性高的各种机械零件；在重、中型机械制造业中，如锻制或压制的拉杆、钩环、杠杆、套筒、夹具等。在汽轮机和锅炉制造业中多用于压力≤6N/平方，温度≤450℃的非腐化介质中工作的管子、法兰、联箱及各种紧固件；在铁路、机车车辆上用于制造十字头、活塞等铸件。3.6热处理炉加热熔渗高熵合金工艺3.6.1工艺步骤46 太原工业学院毕业设计（1）用不同型号砂纸打磨基体表面，直到表面光亮洁净。（2）将配制好的高熵合金粉末和粘结剂调成牙膏状，均匀的涂抹在基体材料的表面。（3）将节能型电阻炉（见图3.2）设定到1300℃，让其开始加热，为下一步做准备。（4）将涂好的试样放入达到指定温度1300℃的节能型电阻炉中，保温3h。（5）保温3h后，关闭电阻炉，让试样随炉冷却。（6）待温度降到500℃左右时，取出试样，在空气中冷却。3.2技术参数额定功率4KW炉温稳定度≤±1℃额定电压220V炉温均匀度≤±6℃相数单相额定温度≤1000℃炉膛尺寸长300×宽200×高120（mm）空炉升温时间≤15min外形尺寸长560×宽410×高560（mm）空炉损耗功率≤0.5KW图3.2节能型电阻炉46 太原工业学院毕业设计3.6.2工艺温度曲线温度/℃500℃时间/h保温3h随炉缓冷1300℃空冷图3.3工艺温度曲线3.7感应加热熔渗高熵合金工艺3.7.1感应加热的基本原理感应加热是利用电能作为能源对金属物质进行加热的，其本身特殊的加热机理决定了感应加热的对象只能是非磁性材料和铁磁性金属。感应加热过程中所产生的热量主要是通过焦耳热效应和磁滞损耗效应[13]两种方式获得的，下面分别对这两种生热方式做简要介绍:（1）焦耳热效应任一导体通过电流时，在其周围就会产生磁场。磁场强度的大小和方向是根据导体中电流的大小和方向而定的。每条磁力线都是环绕电流的闭合线，磁力线的方向和电流的方向遵从右手螺旋定则。在铁磁性介质中，由于介质被磁化，磁感应强度将由H增大到B，用公式表示为:（3.1）46 太原工业学院毕业设计其中，μ为介质的导磁率。真空介质的导磁率为1。空气、水、铜、铝、奥氏体钢等非铁磁性介质的导磁率近似于1。而铁、铬、镍及其合金等铁磁性介质的导磁率远大于l。的大小还与磁场强度有关。在磁场中，垂直穿过某一横截面的磁力线根数叫做磁通量。通过一个有限面积的磁通量为:（3.2）其中，α为面积S的法向与B矢量之间的夹角。当线圈中通入交变电流时，线圈内部和其周围就会产生一个交变磁场。在感应加热过程中，置于感应线圈之下的钢板就被这个交变磁场的磁力线所切割，结果在零件内产生频率相同、方向相反的感应电流，即涡流。交变磁场产生的感应电动势可用法拉第电磁感应定律表示:（3.3）其中，负号表明感应电场有反抗磁场的作用。由于交流电的频率是按正弦规律变化的，因此其磁通量也有着相应的正弦关系:（3.4）因此：（3.5）将上式带入3.3得：（3.6）因此，在其它条件不变的情况下，频率越高感应电动势e46 太原工业学院毕业设计就越大。正是由于感应电动势的存在，钢板表面薄层内才会形成封闭的电流回路，从而产生频率相同的涡流。由于感应电动势与原电路电势是反向的，因此在每一瞬间涡流方向总是与感应线圈中的电流方向相反。涡流强度If决定于感应电动势。及涡流回路的阻抗Z，由于Z通常很小，所以If能达到很高的值使涡流回路产生大量的焦耳热。其热量可由楞次定律确定:（3.7）焦耳热效应是由涡流损耗产生的，它是非磁性材料，如铝、铜、奥氏不锈钢和高于居里点(又称磁衰变温度)的碳钢产生热量的唯一途径，也是铁磁性金属(如低于居里点温度的碳钢)中主要的生热途径，是钢板感应加热的主要热量来源。（2）磁滞损耗效应磁滞现象是由分子(或称磁性偶极子)之间的摩擦力导致的。当铁磁性物质被磁化时，磁性偶极子可看作小磁针，它随着磁场方向的变化(或称交流电的变化)而转动。这种来回转动所引起的发热就是磁滞发热。因此，交流电的频率越高，磁场变化就越快，单位时间内产生出的热量也就越多。对于铁磁性金属物质来说，感应加热产生的热量中有一少部分是来自于磁滞损耗的。图3.4感应加热实体模型图3.2为钢板感应加热的实体模型图，其中线圈导体采用双回线同向方式绕制而成，材料选用紫铜管，内部通有循环水，加热时对线圈施加电流;线圈外层为导磁体，主要起防止磁力线逸散的作用，安装导磁体后可显著提高感应加热效率。加热线位于导磁体正下方的条形区域[14]。3.7.2感应加热的特点46 太原工业学院毕业设计感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点，是内部热源，属非接触加热方式，能提供高的功率密度，在加热表而及深度上有高度灵活的选择性，能在各种载气中工作(空气、保护气、真空)，损耗极低，不产生任何物理污染，符合环保和可持续发展方针，是绿色环保型加热工艺之一。它与可控气氛热处理、真空热处理少无氧化技术已成为热处理技术的发展主流。其主要应用有:(1)冶金有色金属的冶炼，金属材料的热处理，锻造、挤压、轧制等型材生产的透热，焊管生产的焊缝。(2)机械制造各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热;压力加工前的透热。(3)轻工罐头以及其他包装的封口，比如著名的利乐砖的封口包装。(4)电子电子管真空除气的加热。(5)特殊应用如等离子、堆焊等。以一汽为例，在生产的中型车、轻型车和轿车上，就有近200种零件需要感应加热淬火处理，从感应加热淬火零件的形状和尺寸来看，可称得上花样繁多且大小均有。随着感应淬火技术的不断发展，感应淬火的零件已上升到占全部热处理零件的50%左右。据有关数据表明，在我国的汽车工业中，感应热处理的应用正进入世界先进水平的行列。3.7.3感应加热新工艺感应加热工艺是感应加热技术水平的主要体现，是技术发展的基础，先进的感应加热工艺技术可以有效地发挥感应加热的特点，实现高效、节能的局部热处理。(1)纵向感应加热淬火半轴纵向感应加热淬火已用于汽车、拖拉机工业。半轴纵向加热是一次淬火。在德国、美国有半轴一次淬火专用机床，将加热、校正和淬火在一台机床上完成，提高了生产率，一次淬火与连续淬火相同产量的设备占地而积各为40m2与115m2。(2)曲轴颈圆角淬火曲轴颈圆角淬火后，疲劳强度比正火的提高一倍，我国生产的康明斯与NH发动机曲轴均已采用此种工艺。(3)低淬透性钢齿轮淬火早在20世纪70年代我国曾进行55DT,60DT,70DT46 太原工业学院毕业设计钢研究并取得初步成果，以后因钢的淬透性不稳定等原因，低淬钢未继续用于生产。1992年俄罗斯低淬钢创始人，K.3博士来中国讲学，并到某一钢厂调查冶炼低淬钢的条件，认为该厂完全具备生产低淬钢条件。YB2009-1981《低淬透性含钦优质碳素结构钢》中对合金元素的控制与俄罗斯不同，(俄)1054-74、58(55IIII)钢的元素含量对Mn,Cr,Vii,Cu四元素之和规定要求<0.5%(质量分数)，而YB2009-8155Ti钢对Cr,Ni,Cu三元素之和规定<0.5%(质量分数)，这可能是关键所在。俄罗斯低淬钢及控制淬透性钢已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十宇轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧和铁路螺旋弹簧等，取得了极大的经济效益。(4)感应电阻淬火众所周知，转向齿条的齿部采用感应电阻法淬火，国内已有三台以上的进口机床在生产。英国一台机床将此工艺用于齿轮生产，发现淬火后齿轮基本不变形并可随后进入装配工序。(5)曲轴轴颈固定加热淬火新设备称为Grank-proTM，用二个半环形固定加热感应器取代8字半环形旋转加热感应带。此套设备能对曲颈进行淬火与回火，与老工艺相比，具有节能、占地而积小、工件变形小和感应器寿命长等优点[15]。图3.5感应加热设备46 太原工业学院毕业设计420钢基体熔渗高熵合金组织及性能研究4.1硬度测试4.1.1维氏硬度计的原理采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按式（4.1）计算：HV=常数×试验力/压痕表面积≈0.1891F／d2（4.1）式中：HV————维氏硬度符号；F――――试验力，N；d————压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020～1.400mm4.1.2维氏硬度的表示方法维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为10～15S。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：600HV30—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间10～15S时得到的硬度值为600。600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。46 太原工业学院毕业设计表4.1主要技术规格测量范围5-3000HV试验力0.09807、0.2452、0.4904、0.9807、1.961、2.942、4.904、9.807牛顿（10、25、50、100、200、300、500、1000克力）测量系统放大倍数500倍、125倍测量精度0.125微米试件允许最大高度75毫米压头中心至机壁距离100毫米电源交流220伏，50Hz外形尺寸340x160x375毫米重量约40千克图4.1HVT—1000维氏硬度计4.1.3维氏硬度实验优缺点（1）维氏硬度试验优点维氏硬度试验的压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。例如，当硬度值为400以下时，HV≈HB。维氏硬度试验的试验力可以小到10gF，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。（2）维氏硬度试验缺点46 太原工业学院毕业设计维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。4.1.4维氏硬度计的应用维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压痕也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究。用于测定金属组织中各组成相的硬度，用于研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至3μm。4.1.5维氏硬度计的操作步骤（1）打开硬度计的电源，旋转试验力变换手轮，选择试验力。（2）显示屏上显示MODEL和NOT-COV菜单，MODEL有HV、HK二种试验法，按方向键移选择表，表1适用于有色金属，表2适用于黑色金属，按ENTER键确认，主屏幕弹出转换表，按ENTER键确认，主屏幕状态显示出所选硬度值转换标尺。（3）按方向键，弹出DWELL保荷时间菜单，选择加荷时间。（4）按方向键，弹出FUNCTION菜单。选择第一个选项Single,按ENTER键确认，硬度计开始进入工作状态。（5）转动压头与物镜转换罩壳，使10×物镜位于主体正前方位置。（6）转动升降丝杆使试验台上升，直至试样表面清晰成像。如果在目镜中观察到的像模糊，可转动目镜前部镜头，直至清晰为止。（7）转动转换罩壳，使压头位于主体前方，按面板START键，仪器开始加载、保载、卸载。（8）转动转换罩壳，使10×物镜位于主体正前方位置，观察目镜中的压痕成像。移动目镜的刻线，使其逐步靠拢，当刻线内侧无限接近时，两刻线内侧之间位于无光隙的临界状态时，按面板CLR键，这时主屏幕上的d1的值为零。（9）46 太原工业学院毕业设计移动右边手轮使刻线分开，移动目镜左侧鼓轮，使左边的刻线移动与压痕左边外形交点相切，移动右边刻线内侧与压痕外形交点相切，按下目镜上测量按钮，对角线d1测量完成，目镜转动90度，测量对角线d2，按下测量按钮，主屏幕显示本次测量的值和所转换的的硬度值。一次试验结束。（1）如果认为测量有误差，可重复上述程序再次测量。4.2金相显微组织观察4.2.1操作步骤利用XJP-6A三目倒置金相显微镜进行金相显微组织观察。（1）将电源插好，打开开关。（2）将试样放在载物台上。要考虑采用合适孔径的载物片。（3）根据所需放大倍数选取合适的目镜和物镜，并安装在工作位置上。（4）通过显微镜观察，转动粗调焦手轮，使物镜和观察面尽量接近，在见到所观察试样的像时，再转动微调焦手轮，直到成像清晰为止。在调节时必须避免显微镜的物镜和试样磨面碰撞，损坏镜头。（5）显微镜使用完毕，应及时将物镜和目镜卸下，放入镜头盒中，最后切断电源。4.2.2注意事项（1）切忌不要同时用力反向旋转左右粗、微动手轮，否则会损坏调焦机构。（2）变换不同倍率物镜时，切勿直接扳动物镜来转动物镜转换器。应手持转换器外圆的齿纹部分来转动转换器，使物镜准确定位并进入光路，否则会影响仪器的光学性能。（3）为防止换用不同类型培养基时物镜与其发生碰撞，可利用限位装置的限位作用，限制物镜过分升高,损坏物镜或样品。46 太原工业学院毕业设计表4.2参数规格光学系统倒置，明场，偏光，暗场（选配）放大倍数100×-1250×观察筒铰链式30°倾斜，瞳距调节范围：55-75mm目镜平场大视野10×，12.5×，视度可调物镜转盘4孔转盘，平场消色差10×，20×，40×，100×（油）载物台机械式载物台，移动范围：X轴：85mm，Y轴：60mm调焦低位同轴粗微调旋钮，调焦行程：向上：5mm，向下：2mm照明系统6V30W卤钨灯，调中视场光阑和孔径光阑，灯丝对中调节滤色片组转盘式滤色片转换器，兰色、绿色、黄色、中性循环外型尺寸530×220×260mm图4.2XJP－6A金相显微镜4.3基体组织及性能图4.320钢基体组织标尺：1μm放大倍数：40×7图4.445钢基体标尺：1μm放大倍数：40×74.3.1基体显微组织46 太原工业学院毕业设计图4.6球墨铸铁基体标尺：1μm放大倍数：40×7图4.5T8钢基体标尺：1μm放大倍数：40×7本论文所用显微组织图的侵蚀剂都是4%硝酸酒精溶液，后面不再重复说明。4.3.2基体硬度测试（1）20钢基体维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):20钢基体测试时间(Testtime):2014-06-0417:22:37试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=38.294d2=38.117HV=279.08第2次(2times):d1=40.764d2=49.764HV=206.02第3次(3times):d1=44.117d2=43.764HV=217.09平均值(AverageVlaue):234.06极差(Range):73.06最大值(Max.Vlaue):279.08分散度(Disperse):31.21%最小值(Min.Vlaue):206.02（2）45钢基体维氏硬度测试46 太原工业学院毕业设计测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):45钢基体测试时间(Testtime):2014-06-0417:46:02试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=42.176d2=42.352HV=232.63HB=230.63第2次(2times):d1=41.117d2=45.176HV=224.22HB=223.22第3次(3times):d1=46.941d2=41.117HV=216.31HB=216.31平均值(AverageVlaue):224.39极差(Range):16.32最大值(Max.Vlaue):232.63分散度(Disperse):7.27%最小值(Min.Vlaue):216.31（3）T8钢基体维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):T8钢基体测试时间(Testtime):2014-06-0416:44:34试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=39.882d2=39.882HV=258.17HB=254.17第2次(2times):d1=43.058d2=39.705HV=241.58HB=238.58第3次(3times):d1=37.764d2=35.647HV=300.27HB=294.27平均值(AverageVlaue):266.67极差(Range):58.69最大值(Max.Vlaue):300.27分散度(Disperse):22.01%最小值(Min.Vlaue):241.58（4）球墨铸铁基体维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):球墨铸铁基体测试时间(Testtime):2014-06-0417:15:3846 太原工业学院毕业设计试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=31.764d2=30.529HV=407.30HB=397.92第2次(2times):d1=40.411d2=44.823HV=229.20HB=227.20第3次(3times):d1=39.882d2=35.294HV=287.50HB=281.88平均值(AverageVlaue):308.00极差(Range):178.10最大值(Max.Vlaue):407.30分散度(Disperse):57.82%最小值(Min.Vlaue):229.2表4.3不同材料基体硬度比较材料硬度值（HV）20钢45钢T8钢球墨铸铁第一次测试279.08232.63258.17407.30第二次测试206.02224.22241.58229.20第三次测试217.09216.31300.27287.50平均值234.06224.39266.67308.00比较20钢、45钢、T8和球墨铸铁钢硬度，硬度不断增加。可见，碳钢含碳量越高硬度越高。4.4感应加热熔渗八组元高熵合金的组织及性能4.4.1感应加热熔渗八组元高熵合金的微观组织46 太原工业学院毕业设计图4.745钢（八组元感应加热）标尺：1μm放大倍数：40×7图4.845钢基体标尺：1μm放大倍数：40×7比较图4.7和4.8，可见45钢经感应加热八组元高熵合金后，组织发生些许变化。处理后的45钢表面出现颗粒状金属化合物。这是由于部分高熵合金渗入45钢表面所致，但粒状金属化合物的数量较少，分布不均匀。经分析，造成这一现象的原因有：（1）八主元高熵合金的组元中Cr、Co、Fe、Ni、Mo、Ti等都是高熔点元素，在此温度下原子扩散能力差，高熵合金元素很难渗入到45钢表面，所以导致渗入不均匀。（2）配制的高熵合金粉末混合不均匀导致高熔点的金属粉末颗粒聚集在一起，影响扩散。4.4.2感应加热熔渗八组元高熵合金的力学性能（1）45钢涂覆八组元高熵合金感应加热后的维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):45钢（八组元感应加热）测试时间(Testtime):2014-05-2816:42:26试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):46 太原工业学院毕业设计第1次(1times):d1=61.058d2=59.647HV=126.82第2次(2times):d1=55.588d2=55.588HV=145.02第3次(3times):d1=55.411d2=60.529HV=135.36平均值(AverageVlaue):135.73极差(Range):18.20最大值(Max.Vlaue):145.02分散度(Disperse):13.41%最小值(Min.Vlaue):126.82（2）45钢基体的维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):45钢测试时间(Testtime):2014-06-0417:46:02试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=42.176d2=42.352HV=232.63HB=230.63第2次(2times):d1=41.117d2=45.176HV=224.22HB=223.22第3次(3times):d1=46.941d2=41.117HV=216.31HB=216.31平均值(AverageVlaue):224.39极差(Range):16.32最大值(Max.Vlaue):232.63分散度(Disperse):7.27%最小值(Min.Vlaue):216.31表4.445钢热处理前后硬度比较硬度值（HV）材料45钢（八组元感应加热）45钢（基体）第一次测试126.82232.63第二次测试145.02224.22第三次测试135.36216.31平均值135.73224.3946 太原工业学院毕业设计比较发现，感应加热后的45钢硬度反而降低。这是因为：熔渗层不均匀，硬度测试时，压头打在了因高温加热而组织变粗大的基体上，所以测得硬度比基体低。4.5感应加热熔渗五组元高熵合金的组织及性能4.5.1感应加热熔渗五组元高熵合金的显微组织图4.9T8钢（五组元感应加热）标尺：1μm放大倍数：40×7图4.10T8钢基体标尺：1μm放大倍数：40×7比较上图，发现与八组元感应加热类似，处理后组织也出现颗粒状金属化合物。4.5.2感应加热五组元熔渗高熵合金的力学性能（1）T8钢涂覆五组元高熵合金感应加热后的维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):T8（五组元感应加热）测试时间(Testtime):2014-05-2817:11:07试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=43.411d2=41.647HV=230.05HB=228.0546 太原工业学院毕业设计第2次(2times):d1=34.764d2=34.941HV=330.32HB=324.32第3次(3times):d1=38.999d2=38.999HV=268.85HB=263.85平均值(AverageVlaue):276.41极差(Range):100.27最大值(Max.Vlaue):330.32分散度(Disperse):36.28%最小值(Min.Vlaue):230.05（2）T8钢基体维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):T8钢测试时间(Testtime):2014-06-0416:44:34试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=39.882d2=39.882HV=258.17HB=254.17第2次(2times):d1=43.058d2=39.705HV=241.58HB=238.58第3次(3times):d1=37.764d2=35.647HV=300.27HB=294.27平均值(AverageVlaue):266.67极差(Range):58.69最大值(Max.Vlaue):300.27分散度(Disperse):22.01%最小值(Min.Vlaue):241.58表4.5T8钢热处理前后硬度比较硬度值（HV）材料T8钢（五组元感应加热）T8钢（基体）第一次测试230.05258.17第二次测试330.32241.58第三次测试268.85300.27平均值276.41266.6746 太原工业学院毕业设计比较上面两组数据，3次测试中，有2次硬度值与处理前相差不大，有1次硬度值较处理前略有提高。说明处理后的T8表面有高熵合金渗入，但是渗入不均匀。打硬度时，有2次打在了基体上，所以硬度值无变化。有1次打在了高熵合金渗入层上，所以硬度较大。4.6五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的组织及性能4.6.1五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的微观组织图4.11球墨铸铁（五组元炉加热）标尺：1μm放大倍数：40×7图4.12球墨铸铁基体标尺：1μm放大倍数：40×7炉加热实验中20钢、45钢、灰铸铁等试样失败，所以选取成功的球墨铸铁进行展示。4.6.2五组元热处理炉加热熔渗高熵合金的力学性能（1）球墨铸铁涂覆五组元高熵合金炉加热处理后的维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):球墨铸铁（五组元炉加热）测试时间(Testtime):2014-05-2815:36:42试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.546 太原工业学院毕业设计试验值(TestValue):第1次(1times):d1=27.529d2=28.764HV=493.14HB=474.12第2次(2times):d1=32.117d2=31.235HV=394.63HB=386.63第3次(3times):d1=31.941d2=35.470HV=351.46HB=344.57平均值(AverageVlaue):413.08极差(Range):141.68最大值(Max.Vlaue):493.14分散度(Disperse):34.30%最小值(Min.Vlaue):351.46（2）球墨铸铁基体维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):球墨铸铁基体测试时间(Testtime):2014-06-0417:15:38试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=31.764d2=30.529HV=407.30HB=397.92第2次(2times):d1=40.411d2=44.823HV=229.20HB=227.20第3次(3times):d1=39.882d2=35.294HV=287.50HB=281.88平均值(AverageVlaue):308.00极差(Range):178.10最大值(Max.Vlaue):407.30分散度(Disperse):57.82%最小值(Min.Vlaue):229.2表4.6球铁热处理前后硬度比较硬度值（HV）材料球墨铸铁（五组元炉加热）球墨铸铁（基体）第一次测试493.14407.30第二次测试394.63229.20第三次测试351.46287.50平均值413.08308.0046 太原工业学院毕业设计经比较，涂覆五组元高熵合金经炉加热处理后的球墨铸铁表面硬度要高于基体表面硬度。说明涂覆高熵合金可以有效提高基体硬度。4.7组织比较与性能比较图4.14T8钢（五组元炉加热）标尺：1μm放大倍数：40×5图4.13T8钢（五组元感应加热）标尺：1μm放大倍数：40×74.7.1组织比较观察上面两幅图，图4.14基本就是基体组织，没有多少高熵合金渗入，而图4.13明显颗粒状化合物较多，即高熵合金渗入较多。说明感应加热要比炉加热熔渗效果好。4.7.2性能比较（1）T8钢涂覆五组元高熵合金感应加热后的维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):T8（五组元感应加热）测试时间(Testtime):2014-05-2817:11:07试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=43.411d2=41.647HV=230.05HB=228.0546 太原工业学院毕业设计第2次(2times):d1=34.764d2=34.941HV=330.32HB=324.32第3次(3times):d1=38.999d2=38.999HV=268.85HB=263.85平均值(AverageVlaue):276.41极差(Range):100.27最大值(Max.Vlaue):330.32分散度(Disperse):36.28%最小值(Min.Vlaue):230.05（2）T8钢涂覆五主元高熵合金炉加热处理后的维氏硬度测试测试零件名称(Nameofthehardwareinthetest):T8(五组元炉加热)测试时间(Testtime):2014-05-2817:28:43试样号(SampleNo.):仪器号(InsturmentNo.):MICRO-586试验力(TestForce):200力保持时间(Durationofforce):10试验次数(TestTimes):3显微镜倍率(MicroscopeMagnification):40压头钢球直径(Presssteelballdiameter):2.5试验值(TestValue):第1次(1times):d1=41.470d2=52.235HV=193.95第2次(2times):d1=40.941d2=42.529HV=237.92第3次(3times):d1=40.764d2=41.647HV=243.43平均值(AverageVlaue):225.10极差(Range):49.48最大值(Max.Vlaue):243.43分散度(Disperse):21.98%最小值(Min.Vlaue):193.95表4.7T8钢处理前后硬度比较硬度值（HV）材料T8钢（五组元感应加热）T8钢（五组元炉加热）第一次测试230.05193.95第二次测试330.32237.92第三次测试268.85243.43平均值276.41225.10由于T8钢感应加热处理后高熵合金渗入比较多，所以其表面硬度要高于炉加热处理的T8钢。46 太原工业学院毕业设计结论通过以上一系列实验，我们得出如下几个结论：（1）通过多次试验得到了高熵合金涂层材料的最佳配制工艺：松香和松节油按1：3配制成过饱和溶液；②高熵合金八组元和五组元分别按摩尔比Al:Cr:Co:Fe:Ni:Mo:Ti:Si=1:1:1:1:1:1:0.75:0.25），（Al:Cr:Co:Fe:Ni=1:1:1:1:1）混合搅拌均匀；③将两者混合成膏状均匀涂敷在金属基体上。（2）表面涂覆高熵合金可以有效提高基体表面硬度。上述实验结果可以看出，只要有高熵合金渗入基体，基体表面的硬度就会提高。（3）感应加热熔渗高熵合金要比炉加热熔渗高熵合金效果好。通过显微组织图片比较，经炉加热的基体表面熔入的的高熵合金较少、稀疏且不均匀。而感应加热的效果明显要好的多，渗入层更深，更均匀。而且感应加热还可避免基体的组织和力学性能的改变。可见感应加热工艺更适合表面熔渗。（4）低碳钢不适合表面熔渗高熵合金。低碳钢基体熔渗温度过高时，基体已经软化变形而高熵合金还没有熔入，导致低碳钢表面渗入高熵合金很困难。（5）高熵合金中的高熔点元素会使熔渗效果降低。这是因为高熔点元素（如Ni、Mo、Ti）要扩散就得要求高温度。当温度达不到是，熔渗就很困难。但温度太高，基体又会软化变形。（6）五组元的比八组元的熔渗效果好。八组元高熵合金含有多个高熔点合金元素如Mo、Ti、Co，这些元素的充分扩散需要在很高的温度下进行，但加热温度太高，会降低基体的力学性能。所以在1100℃感应加热时，五组元的熔渗效果更好。46 太原工业学院毕业设计参考文献[1]刘源,李言祥,陈祥,陈敏.多主元高熵合金研究进展[J].材料导报,2006,04:6-14.[2]郭卫凡.多主元高熵合金的研究进展[J].金属功能材料,2009,01:49-53.[3]周美玲,谢建新,朱宝泉.材料土程基础[M].北京:北京土业大学出版社,2004:42-43.[4]谢宇玲.突破传统的新型合金——高熵合金的制备方法[J].科技致富向导,2012,24:109.[5]叶均蔚,陈瑞凯,林树均.高熵合金的发展概况[J].工业材料杂志,1994,224:71-79.[6]皮锦红,杨晓敏.应用前景广阔的高熵合金[J].新材料产业,2009,09:71-74.[7]陈旸.碳材料表面抗氧化涂层的制备及性能研究[D].山东大学,2013.[8]李亚峰.多组元高熵合金的制备与性能[D].武汉：武汉科技大学,2009.[9]燕样样.浅谈铸铁金相试样制备方法[J].金属热处理,2007,32(3):104-105.[10]燕样样,李红莉.金相试样制备技术与技巧[J].理化检验(物理分册),2013,03:162-165.[11]高文民.金相检验基本知识[M].北京:中国铁道出版社出版,1989:50-114.[12]刘艳英,臧金旺,李宪武.金相试样制备过程概述[J].金属世界,2010,01:46-48.[13]刘志儒,卢锦宝.金属感应热处理[M].北京:机械工业出版社,1985.[14]吴强.钢板感应加热工艺参数实验分析与数值模拟[D].大连：大连理工大学,2009.[15]孙宁,施建华.感应加热工艺与设备的发展状况及趋势(上)[J].金属加工(热加工),2009,01:26-28.46 太原工业学院毕业设计致谢本论文是在梁红英副教授的指导下完成的。从论文的选题，实验方案的制定到实验结果的分析以及论文的完成，梁老师都严格把关，花费了大量的心血。老师渊博的知识，严谨治学的科研态度和锐意进取的学术思想，以及积极进取和孜孜不倦的敬业精神使我受益匪浅。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向太原工业学院机械工程系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。46