45钢及42CrMo钢离子氮碳共渗研究

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1、学号：12101401常州大学硕士学位论文45钢及42CrMo钢离子氮碳共渗研究研究生叶雪梅指导教师胡静教授学科、专业名称材料加工工程研究方向金属表面改性2015年4月AStudyofPlasmaNitrocarbuzingfor45Steeland42CrMoSteelADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByYeXue-Mei(MaterialsProcessingEngineering)DissertationSupervisor:Prof.HuJingApr，2015常州大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的

2、学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权的说明本学位论文作者完全了解常州大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属常州大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制

3、手段保存、汇编本学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日中文摘要离子氮碳共渗是将工件放在离子辉光放电的真空容器中，将工件作为阴极，容器壁作为阳极，向炉内通入稀薄的氮气和丙烷，在直流电场的作用下，使得炉内的气体发生电离，电离产生的活性碳、氮离子以高速轰击阴极工件表面，并扩散进入工件表面形成渗层的过程。该研究选用调质态的45钢和42CrMo钢作为研究材料，研究了在783K温度下丙烷浓度（0.5%~2.5%）、炉内气压（170Pa

4、~290Pa）以及离子氮碳共渗温度（763K~823K）和时间（0.5h~4h）对离子氮碳共渗效果的影响。另外，研究了合金元素对离子氮碳共渗动力学的影响，分别得出了45钢和42CrMo钢的化合物层的生长动力学方程以及扩散激活能。为了对离子氮碳共渗后的试样进行渗层组织、物相结构、硬度以及耐蚀性等方面的测试，实验中使用检测设备主要有金相显微镜、维氏显微硬度计、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和电化学工作站等。结果表明：随丙烷浓度的增加，化合物层厚度和表面硬度均呈现先增大后减小的趋势。当丙烷浓度为1.5%时，510℃离子氮碳共渗4h后，化合物层厚度和表面硬度分别达到最大值40μm

5、和779HV0.05，同时得到以ε相为主，并伴有极少量渗碳体的最优物相组成。当丙烷浓度超过1.5%时，化合物层厚度和表面硬度均下降，当丙烷浓度为2.5%时，渗碳体成为主要物相，从而阻碍C、N原子向基体内的进一步扩渗。随着氮碳共渗温度的上升，化合物层厚度逐渐增加，有效硬化层厚度也随之增厚。但X射线衍射分析表明：当离子氮碳共渗处理温度超过803K，硬脆相渗碳体成为主要物相。而当温度为763K时，形成的主要物相为ε相，但其强度较弱，且化合物层厚度较薄。因此当丙烷浓度为1.5%时，783K是较为合适的离子氮碳共渗温度。随着离子氮碳共渗时间的增加，化合物层厚度逐渐增加且其主要物相

6、发生γ′相→ε相的转变，同时截面硬度梯度也逐渐趋于缓和。当炉内的气压为290Pa饱和气压时，其化合物层厚度达到最厚，且截面硬度最为缓和。X射线衍射分析表明：炉内气压为290Pa时，化合物层的主要物相为ε相且伴有少量渗碳体相，当炉内气压低于饱和气压时，ε相仍为主要物相，但渗碳体相消失。可能是由于真空泵抽去了炉内的活性碳、氮原子，导致了渗碳体相的消失和化合物层厚度的减薄。相同工艺条件下，42CrMo钢表面形成的化合物层厚度比45钢薄，但有效硬化层较厚，表面硬度高且截面硬度梯度较为平缓；随着保温时间的延长，45钢离子氮碳共渗后化合物层中的主要物相发生了γ′相→ε相的转变，而在

7、42CrMo钢表层未发现该转变，但出现了CrN、CrC及Mo2(C,N)等物相。动力学分析表明在42CrMo钢表面形成化合物层的扩散激活能为67.25kJ/mol，接近45钢24.24kJ/mol的3倍，同时分析了合金元素对活性C、N原子扩散的影响机理。关键词:45钢；42CrMo钢；离子氮碳共渗；丙烷；动力学ABSTRACTDuringtheprocessofplasmanitrocarburizing,thespecimensservedascathodeandwereplacedinthecontainerpumpedtovacuu