高强不锈钢机械能助渗铝工艺研究

论文摘要

高强不锈钢具有高的强韧性配合,且在动、静载荷下具有低的应力集中敏感性,因而广泛用于航空航天、石油以及交通等领域。但在其服役环境中,高强不锈钢常因其耐磨性能、抗氧化性能及耐蚀性能不足而导致材料使用寿命降低,必须对材料进行表面处理来提高材料的性能。钢材料经过渗铝后,表面能形成致密的氧化铝膜,可以明显改善材料的耐磨性能,耐蚀性以及抗氧化性能。1Cr15Ni4Mo3N高强不锈钢材料的最终时效温度为540℃,传统渗铝工艺如固体渗铝、热浸镀铝等渗铝温度都高于540℃,都会导致基体材料力学性能的改变；物理气相沉积渗铝工艺的渗铝温度虽然比540℃低,但因渗层结合力较差、设备昂贵等缺点制约了其应用。论文采用机械能助渗铝工艺对高强不锈钢进行渗铝,并对渗铝工艺的渗剂配方和工艺参数进行优化,在保证了基体材料力学性能不改变的同时得到了质量可靠的渗层。论文以1Cr15Ni4Mo3N高强不锈钢为基体材料通过对机械能助渗铝工艺的渗剂配方及渗铝工艺参数的系统研究,得到高强不锈钢机械能助渗铝工艺的可行性渗剂配方为：30%铝粉+10%铝铁粉+2%氯化铵+4%氧化铈+140目工业氧化铝（余量）；试验结果还表明,1Cr15Ni4Mo3N材料机械能助渗铝工艺的主要影响因素是渗铝时间,滚筒转速以及渗剂的装载量。通过对机械能助渗铝工艺参数的研究,得到了优化的机械能助渗铝工艺为：渗铝温度为500℃；渗铝时间为10-14h;滚筒转速为8～10r/min;渗剂装入量为70%-80%（体积比）；抽真空通氩气保护。采用优化的机械能助渗铝配方及渗铝工艺条件,以1Cr15Ni4Mo3N材料在500℃经过10h的渗铝,得到了厚度为11μm的均一致密的渗铝层,与固体粉末包埋渗铝工艺相比,渗铝时间减少了一半。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了渗层的元素分布以及渗层的相结构。结果显示渗铝层为单一渗层,主要由Fe2Al5、Fe4Al13等富铝相组成。通过显微硬度测试、热震实验以及抗氧化实验等试验方法对渗层进行性能检测,结果表明渗层硬度在1000HV左右,是基体材料的两倍以上；渗层的结合力强且抗氧化性能良好；通过中性盐雾实验和电化学实验的结果显示,渗铝可以提高材料的耐蚀性能,且机械能助渗铝得到的渗层比包埋渗铝的耐蚀铝离子腐蚀性能更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 高强不锈钢简介
• 1.2.1 高强不锈钢的分类、发展及应用
• 1.2.2 高强不锈钢的组织特点及热处理工艺
• 1.2.3 1Cr15Ni4Mo3N钢的组织形貌和发展概况
• 1.3 渗铝
• 1.3.1 渗铝的原理和意义
• 1.3.2 渗铝钢的性能及应用
• 1.3.4 常用的渗铝工艺
• 1.4 高强不锈钢机械能助渗铝工艺及其现状
• 1.5 本课题的研究内容、目的及意义
• 第二章 试验试剂和方法
• 2.1 试验试剂和材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 机械能助渗铝工艺的研究
• 2.2.2 渗层分析
• 2.2.3 渗层性能的测试
• 第三章 机械能助渗铝的渗剂配方及工艺研究
• 3.1 机械能助渗铝渗剂配方的试验研究
• 3.1.1 供铝剂的选择
• 3.1.2 助渗剂的选择
• 3.1.3 催渗剂的选择
• 3.1.4 填充剂的选择
• 3.1.5 渗剂中各组分成分含量的试验研究
• 3.2 抽真空通保护气体对机械能助渗铝工艺的影响
• 3.3 时间对机械能助渗铝工艺的影响
• 3.4 滚筒转速对机械能助渗铝工艺的影响
• 3.5 渗剂的装入量对机械能助渗铝工艺的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 机械能助渗铝的渗层分析及性能检测
• 4.1 渗铝层的分析
• 4.1.1 渗层的表面形貌
• 4.1.2 渗铝层的截面形貌
• 4.1.3 渗铝层的物相分析
• 4.2 渗铝层的性能测试
• 4.2.1 渗铝层的硬度
• 4.2.2 渗铝层抗中温氧化性能
• 4.2.3 渗铝层的耐蚀性能
• 4.2.4 渗铝层的结合力测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 机械能助渗铝工艺的机理初探
• 5.1 渗层的形成条件与过程
• 5.2 机械能助渗铝的机理
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A: 攻读硕士学位期间发表的学术论文