等离子体低温渗氮调幅分解组织纳米化与深层扩散的研究.pdf

硕士学位论文


等离子体低温渗氮调幅分解组织纳米化
与深层扩散研究


STUDY ON MICROSTRUCTURE
NANOCRYSTALLIZATION AND DEEP
DIFFUSION BY SPINODAL POSTION OF
SURFACE LAYER PRODUCED DURING LOW
TEMPERATURE PLASMA NITRIDING




黄得猛





哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开





工学硕士学位论文


等离子体低温渗氮调幅分解组织纳米化与深
层扩散研究







硕士研究生: 黄得猛
导师: 闫牧夫教授
申请学位: 工学硕士
学科: 材料学
所在单位: 材料科学与工程学院
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
.:



Dissertation for the Master Degree in Engineering



STUDY ON MICROSTRUCTURE
NANOCRYSTALLIZATION AND DEEP
DIFFUSION BY SPINODAL POSTION OF
SURFACE LAYER PRODUCED DURING LOW
TEMPERATURE PLASMA NITRIDING





Candidate: Huang Demeng
Supervisor: Mufu
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Materials Science
Affiliation: School of Materials Science and
Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
本文对合金碳钢表面等离子体渗氮是否发生调幅分解现象进行研究,通
过热力学方法计算发生调幅分解的温度和成分范围,进而用数值模拟预测低
氮化合物相体积分数,然后在调幅分解范围内开展等离子体渗氮实验,用
XRD、TEM 等表征手段证实调幅分解的发生,最后通过性能测试来说明渗
氮过程发生调幅分解的优势,并认为调幅分解是固溶预处理后等离子渗氮组
织纳米化与深层渗的关键。
用伪二元模型计算 Fe-Cr-N 体系自由能-成分曲线能很好地解释低氮化
合物相 FeNz(z=-)与含氮马氏体是通过上坡扩散的调幅分解生成
的,并且得到了发生调幅分解的最高温度与最佳氮含量分别为 1969K 和
N=.%。另外,随着温度的上升,调幅分解越发容易,但是又不能超
过奥氏体化温度 863K。由相场模拟可知,调幅分解生成了低体积分数的低
氮化合相 FeNz,其形态多为圆形颗粒状,从理论计算得到 FeNz 相体积分数
在[%,%]之间,而模拟结果显示只有不到 3%,两者虽有出入但可以
预测其为低体积分数。
在随后的试验中不但证实了调幅分解并且得到了表面纳米级别的含氮马
氏体与低体积分数的 FeNz 两相。对 40CrNi 钢 520C 等离子体渗氮发生调
幅分解的试样做表面 TEM 观察可知,表面为纳米级的含氮马氏体与 FeNz,
尺寸在 10-30nm 之间,并伴有非晶。其他钢种如 2Cr13、17-4PH 等离子渗
氮同样也观察到了纳米晶和非晶现象。最后的显微硬度与摩擦磨损性能测试
表明,若等离子体渗氮过程中出现调幅分解,不但能导致深层扩散,而且渗
层硬度梯度也非常平缓,这主要是因为一方面调幅分解组织细化导致 N 原
子扩散通道增多,另一方面调幅分解后表面无脆硬的高氮化合物相(ε-Fe2-3N
与γ′-Fe4N)生成。

关键词:调幅分解;伪二元模型;低体积分数;组织纳米化;深层扩散
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstrac