45钢渗zr合金层摩擦磨损性能及电化学性能研究

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1、太原理工大学硕士学位论文45钢渗Zr合金层摩擦磨损性能及电化学性能研究摘要45钢作为一种优质的碳素结构钢，具有较为优良的切削加工性能和良好的机械性能，被广泛应用在机械制造业及汽车等领域。但45钢相对较差的耐磨损能力和耐腐蚀性能，大大地限制了其在特殊环境中的应用。本课题采用双辉等离子渗金属技术对45钢进行了等离子渗Zr处理。分别研究了800℃-950℃渗金属温度对Zr合金化层组织、成分、结构和硬度的影响，并且对合金化层形成机制进行了研究。通过对比分析45钢基材及其不同温度渗Zr试样在不同载荷下的摩擦磨损性能以及在0.5m

2、ol/L的H2SO4溶液中的电化学腐蚀性能，分别探讨了Zr合金层摩擦学性能和耐腐蚀性能的改善机理。得出如下主要结论：(1)利用双辉等离子渗金属技术在45钢表面渗Zr，可以在其表面形成连续均匀致密并且与基体以扩散连接的渗Zr合金层。经过800℃-950℃不同温度渗Zr处理后，在45钢基材表面形成的Zr合金层厚度在5μm-21μm之间。并且随着渗金属温度的增加，形成的Zr合金层的厚度也随之增加。不同温度下形成的Zr合金层均由Zr2Fe、ZrC、ZrC0.7、Fe3C组成。(2)45钢经过不同温度渗Zr处理后的表面硬度较未处

3、理的基材均有显著的提高。45钢基材的硬度约为217HV0.025，而800℃-950℃渗Zr后的表面硬度值为673HV0.025~893HV0.025。渗Zr处理后硬度的增加主要是与Zr的固溶强化作用以及硬质ZrCx的形成有关。I太原理工大学硕士学位论文(3)不同温度渗Zr试样在载荷为1N和2N时的摩擦系数分别在0.08-0.4以及0.1-0.4之间波动，均小于相同实验条件下45钢基材的平均摩擦系数(0.55和0.5)。850℃、900℃以及950℃渗Zr试样在1N载荷下比磨损率分别是45钢基材的12.1％、3.2％以

4、及2.3％，在2N载荷下的比磨损率分别是45钢基材的6.7％、3.8％以及2.9％，起到了良好的耐磨以及减摩效果。载荷为5N时，850℃和900℃渗Zr层被磨穿，摩擦系数较大，但比磨损率分别是45钢基材的20.7％和77.6％，仍有一定的耐磨作用。950℃渗Zr试样的摩擦系数(0.25)明显小于45钢基材(0.5)，体积磨损量是45钢基材的9.1％，减摩和耐磨性得到一定的改善。Zr的固溶强化作用以及Zr的碳化物析出是45钢渗Zr后摩擦学性能提高的重要原因。此外，摩擦过程中渗Zr试样表面形成的ZrO2薄膜同样对试样起到了

5、一定的保护作用。(4)45钢经不同温度渗Zr后的试样在H2SO4腐蚀液中的耐腐蚀性能较未处理的45钢基材得到了明显的提高，其中950℃渗Zr试样的耐腐蚀性能最佳。不同温度渗Zr试样自腐蚀电位较45钢基材明显正移。与45钢基材相比，渗Zr试样的腐蚀电流密度明显下降。从钝化电流密度来看，850℃渗Zr试样钝化电流密度大于基材，900℃和950℃渗Zr试样的钝化电流密度小于基材。且不同温度渗Zr试样均发生了二次钝化，二次钝化所对应的电流密度明显小于同电压对应下的45钢基材。不同温度渗Zr试样交流阻抗谱的电阻值均大于未处理的4

6、5钢基材。Zr是一种活泼金属，渗Zr试样暴露在空气中表面易形成一层ZrO2氧化膜，这层惰性膜使得渗Zr合金层显示出优良的耐腐蚀性能。关键词：45钢；双辉等离子渗金属；Zr合金层；摩擦磨损；电化学腐蚀II太原理工大学硕士学位论文STUDYONWEARANDELECTROCHEMICALPROPERTIESOFZRALLOYEDLAYERONTHESURFACEOF45STEELABSTRACT45carbonsteelasakindofhighqualitycarbonstructuralsteelhasbeenwide

7、lyusedinthemachinerymanufacturing,theautomotiveindustryandotherfieldsduetoitseasymachiningandhighmechanicalproperties.Butthepoorwearresistanceandcorrosionresistanceof45steelhasgreatlylimitsitsapplicationinthespecialenvironment.AZr-alloyedlayerwasmadeon45steelusi

8、ngdoubleglowplasmaalloyingtechnique.Effectsofalloyingtemperaturefrom800℃to950℃onmicrostructure,chemicalcomposition,phasestructure,hardnessaswellastheformationmechanis