鐵基合金等離子體稀土氮碳共滲組織超細化與深層擴散機制.pdf

1、M50NiL鋼是新一代的高強軸承鋼，廣泛應用于航空制造業(yè)等高端裝備制造業(yè)。對于軸承而言，其失效形式主要為接觸疲勞失效和磨損失效，因此要求其具有優(yōu)異的表面性能。然而目前對于M50NiL鋼的表面改性技術(shù)卻鮮有報道。如何在軸承鋼表面獲得超細化的組織且較深的改性層一直以來是化學熱處理的研究熱點。本文針對M50NiL鋼稀土氮碳共滲層的高強韌性的性能要求，將等離子體稀土氮碳共滲技術(shù)應用于M50NiL鋼的表面改性?；谘h(huán)相變超細化思想，設計了變溫循

2、環(huán)稀土氮碳共滲工藝，以期實現(xiàn)共滲組織超細化；同時研究了不同鐵基合金低溫稀土共滲過程中的稀土元素催滲機制。
　　在不同相區(qū)對M50NiL鋼進行稀土氮碳共滲，研究溫度、氮氫比及共滲時間對共滲層組織結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：M50NiL鋼α相區(qū)稀土氮碳共滲層無化合物層，共滲層微結(jié)構(gòu)為粗大的板條馬氏體。共滲層的相組成主要為α′N、α'-Fe4N及ε-Fe2-3N，且相結(jié)構(gòu)隨溫度變化較大，隨氮氫比變化不明顯。γ相區(qū)稀土氮碳共滲層組織同樣無化合物

3、層，相結(jié)構(gòu)受溫度及氮氫比影響較大。相同氮氫比下，γ′-Fe4N含量隨溫度升高而減少；當?shù)獨浔葹?.3:0.1 L/min時，650℃下共滲1h后，開始形成γ-FeN0.076，說明奧氏體化開始。
　　以不同相區(qū)M50NiL鋼稀土氮碳共滲層相結(jié)構(gòu)演變規(guī)律為基礎，通過熱力計算設計了變溫循環(huán)共滲工藝，在共滲層表面上獲得了納米級的超細組織，而在共滲層內(nèi)部30μm處局部得到了超細化的組織。其中，γ<＝>α相區(qū)（降溫）循環(huán)共滲表面超細化組織由

4、α′N+γ′-Fe4N或單一的γ′-Fe4N組成，γ相區(qū)（升溫）循環(huán)共滲表面超細化組織由α′N和非晶組成。M50NiL鋼變溫循環(huán)稀土氮碳共滲超細化機制為：首先，γ相區(qū)共滲過程中發(fā)生奧氏體化，形成γ-FeN0.076，其次在后續(xù)的降、升溫循環(huán)過程中反復發(fā)生γ-FeN0.076→α′N+γ′-Fe4N轉(zhuǎn)變以及馬氏體相變（α-γ′N）。與此同時合金元素導致ε和γ′氮化物的穩(wěn)定性下降，使其在共滲過程中不易長大，最終形成超細化共滲層組織。

5、　　M50NiL鋼經(jīng)不同相區(qū)稀土氮碳共滲后，硬度及耐磨性均大幅提高。磨損機制隨磨損速度由氧化疲勞磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp和粘著磨損。其中γ<＝>α相區(qū)（降溫）循環(huán)2次共滲層具有最優(yōu)的耐磨性。而稀土La的加入能夠抑制共滲層的脆性，提高共滲層的強韌性，增強共滲層的耐磨性。超細化共滲層耐磨性提高得益于其特殊的表面組織結(jié)構(gòu)。細小的含氮馬氏體+彌散析出的γ′-Fe4N組織有利于提高共滲層的強韌性和耐磨性。
　　稀土元素在化學熱處理中被證實具有

6、明顯的催滲效果，然而其催滲機制尚未得到很好的揭示，尤其在等離子體低溫稀土共滲中。本文的實驗和熱力學計算結(jié)果證實：等離子體低溫稀土共滲過程中La與N之間的作用是相互吸引的。通過實驗和理論計算提出等離子體低溫稀土共滲過程中稀土催化機制：首先，稀土共滲過程中，在La和LaFeO3的共同作用下，使共滲表面變得粗糙，比表面積增大，有利于N的吸附；其次La對N的吸引提高了表面N的活度，與此同時通過LaFeO3對O的吸附，使得共滲表面N原子與La分離