SMAT純鐵退火及滲氮行為研究.pdf

1、氣體滲氮是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，它可有效地提高工件表面的硬度、強(qiáng)度、抗腐蝕能力和抗摩擦磨損能力。然而，由于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的限制，氣體滲氮過程一般需在550℃以上長時(shí)間保溫進(jìn)行。此工藝不但使氣體滲氮工藝成本提高，也對材料心部的力學(xué)性能和工件尺寸精度產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因此，降低氣體滲氮溫度、加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程是鋼鐵材料表面滲氮研究的主攻方向。 本工作采用最近發(fā)展的表面機(jī)械研磨技術(shù)(SMAT)，在純F

2、e樣品表面制備出納米結(jié)構(gòu)表層，而后對其退火和氣體滲氮行為進(jìn)行了研究。利用X-射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)等分析手段對滲氮層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，并對氮原子在納米結(jié)構(gòu)表層的擴(kuò)散激活能進(jìn)行了粗略測定。主要研究結(jié)果包括： 1、SMAT純鐵在較高溫度下退火后仍具有較好的熱穩(wěn)定性。在500℃退火1個(gè)小時(shí)，SAMT純鐵的表層和次表層均未發(fā)生再結(jié)晶，但晶粒尺寸已明顯發(fā)生長大，處于微米量級。當(dāng)退火溫度過高時(shí)，SMAT純鐵

3、表面的納米結(jié)構(gòu)層的熱穩(wěn)定性就會喪失，在550℃退火時(shí)，SAMT純鐵表層發(fā)生了充分再結(jié)晶，而次表層沒有發(fā)生再結(jié)晶，但該層硬度明顯降低。 2、表面機(jī)械研磨技術(shù)(SMAT)極大地提高了純鐵的滲氮能力。氮原子在α-Fe中的擴(kuò)散激活能測量值為46.39kJ/mol，僅有粗晶純鐵(76kJ/mol)的0.6倍，樣品的滲氮層層深與其滲氮處理時(shí)間的關(guān)系滿足經(jīng)驗(yàn)公式ξ1.538=Kτ 3、實(shí)現(xiàn)低溫滲氮的主要原因在于納米純鐵中存在著大量的晶

4、界和其它結(jié)構(gòu)缺陷。這些缺陷使得氮原子在納米材料中的擴(kuò)散速度加快，在樣品表層易形成高的氮濃度，并且可大幅度提高氮化物的低溫形核率。同時(shí)，納米材料有較高的自由能，改變了滲氮反應(yīng)的熱力學(xué)條件，使得氣體滲氮反應(yīng)易于在低溫下進(jìn)行。 4、SMAT純鐵氣體滲氮(500℃)處理后，微晶結(jié)構(gòu)的滲氮層沿深度方向根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可被分為四層。表層為化合物層，主要由ε-Fe3-2N相和γ'-Fe4N相組成，顯微硬度可達(dá)到650Hv；第二層為強(qiáng)塑性變形(亞