HT200灰铸铁等离子体渗氮组织结构与性能研究

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1、硕士学位论文HT200灰铸铁等离子体渗氮组织结构与性能研究STUDYONMICROSTRUTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFPLASMANITRIDEDSURFACELAYEROFHT200GRAYCASTIRON姜珊珊哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG174学校代码：10213国际图书分类号：621.785密级：公开工程硕士学位论文HT200灰铸铁等离子体渗氮组织结构与性能研究硕士研究生：姜珊珊导师：闫牧夫教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学工程硕士学位论文ClassifiedIndex:TG174U.D.C:621.785DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONMICROSTRUTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFPLASMANITRIDEDSURFACELAYEROFHT200GRAYCASTIRONCandidate：JiangShanshanSupervisor：Prof.YanMufuAcademicDegreeAppliedfor：Masterof

3、EngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要灰铸铁因其优异的综合性能、生产成本低，在汽车和大型机械机床等行业中广泛应用，成为国民经济中重要的支柱材料。通常其应用环境恶劣，要求其具有高耐磨、自润滑、抗变形，以及足

4、够的强度、刚度等性能。因此本文通过等离子体渗氮在HT200灰铸铁表面生成具有一定厚度的渗层，研究了不同渗氮工艺参数对HT200灰铸铁微观组织结构、表面硬度以及耐磨性能的影响，并通过第一性原理对γ'-Fe4N相性质进行了表征。结果表明与钢相比，由于基体中片状石墨的存在，经不同工艺渗氮处理后HT200灰铸铁化合物层厚度仅在几到十几微米范围内，并且当石墨位于表面时形成的白亮层不连续。在520℃，渗氮时间由2h延长至12h的过程中，石墨的形貌发生了改变，部分由片状分布转变为点状分布，在520℃渗氮6h时，石墨片分布最均匀。XRD衍射分析表明，在5

5、20℃不同时间渗氮处理后，表面相组成均为γ'-Fe4N和ε-Fe3N相，由于合金元素的固溶γ'-Fe4N相(111)晶面的衍射峰向高角度发生了偏移。固定渗氮时间，在480℃和520℃渗氮时，表面生成相为γ'-Fe4N和ε-Fe3N；在550℃和570℃渗氮时，表面还出现了α'-Fe相。随着渗氮温度的增加，ε相相对含量降低。通过SEM表面形貌分析，在520℃渗氮6h时表面氮化物分布最均匀。由表面硬度与耐磨性能测试，将HT200灰铸铁等离子体渗氮最佳工艺确定在520~550℃处理6~8h的范围内。在520℃渗氮处理6或8h，与未处理试样相比表

6、面硬度提高了约两倍，摩擦系数降低了约一半，稳定在0.20附近。磨损失重在520℃渗氮8h时最小，且仅为未渗氮处理试样的3.4wt.%。渗氮处理影响了灰铸铁的磨损机制，未渗氮时主要为磨粒磨损，在520℃渗氮6h时，主要为氧化磨损。第一性原理计算结果表明，在渗层生成相γ'-Fe4N中，Ni原子优先取代顶角位置Fe原子。随着Ni添加量增加，γ'-(Fe1-xNix)4N稳定性与合金化能力下降，模量值均增加且呈现良好的韧性。Cr原子优先取代面心位置Fe原子，Cr原子的掺杂增加了γ'-Fe4N成键峰的数量，增强了原子间的结合能力，是稳定γ'-Fe4

7、N相元素。且添加Cr原子后，γ'-Fe4N的体模量略有降低，剪切模量和杨氏模量均增加，韧性降低。添加不同含量的Ni、Cr原子后均引起了晶胞体积的收缩；加入Ni原子后，Fe-N原子间的共价作用增强。与顶角位置Fe原子相比Ni原子和面心位置Fe原子间的成键作用更强，同时Ni原子与面心Fe原子间的成键作用比Cr原子-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文与面心Fe原子间的成键作用更强；此外模量值的增加也表明原子之间键合强度增强。关键词：HT200灰铸铁；等离子体渗氮；微观组织结构；γ'-Fe4N；摩擦磨损-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Abs

8、tractDuetoitsexcellentcomprehensiveperformanceandlowproductioncost,graycastironiswidelyusedinaut