664524549畢業(yè)設(shè)計（論文）稀土對模具鋼表面NiAl涂層的影響

1、 編號 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目 稀土對模具鋼表面 ni-al 涂層的影響 目 錄 摘 要.3 1前言.4 1.1 h13 鋼及其熱處理方法的簡介.4 1.2 稀土元素對 h13 鋼的影響及其催滲機理.6 1.3 國內(nèi)外對 h13 鋼熱處理方法的研究現(xiàn)狀.7 2實驗.10 2.1 實驗材料及設(shè)備.10 2.2 工藝實驗.11 3實驗結(jié)果和分析.12 3.1 試樣表面宏觀特征.12 3.2 滲層厚度分析.12 3.3 硬度.14 3.4 x 射線衍射分析.15 3.5 磨損試驗分析.18 3.6 掃描電鏡分析.20 4實驗結(jié)論.28 5展 望.29 致 謝.30 參考文獻.31 摘 要 h13 模

2、具鋼（國內(nèi)牌號為 4cr5mosiv1）是世界上普遍使用的強韌兼具的 熱作模具鋼。通過對其表面進行改性處理，使之適應(yīng)更復雜的工況條件，具有 巨大的經(jīng)濟效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和社會效應(yīng)。h13 模具鋼滲鋁或鎳鋁共滲后，可以 明顯提高模具的表面硬度、耐磨損性能、高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能，但是 其滲鋁工藝過程中往往存在著滲鋁溫度較高、時間較長等問題。稀土元素的添 加可以降低滲鋁溫度，大幅度縮短滲鋁時間。本課題研究的是稀土元素對 h13 模具鋼表面 ni-al 涂層的影響。工藝實驗分為兩個階段進行。第一階段是在試 樣表面刷鍍一層鎳層，刷鍍鎳層的厚度分別為 0m、20m、50m、80m；第 二階段是在鍍鎳試樣

3、表面進行稀土鋁共滲，稀土添加劑為 ceo2，添加量為 0.7%（wt） ，稀土鋁共滲溫度為 950，保溫時間為 6 小時，冷卻方式為隨爐冷 卻。利用 olympus gx51 金相顯微鏡、jsm6460lv 型掃描電鏡及能譜儀、 dx2700 型 x 射線衍射儀、hvs-1000 型顯微硬度計、nanomap500ls 三維納米 劃痕儀和 hsr-2m 高速往復摩擦磨損實驗機等設(shè)備，從滲層的成分、組織和性 能等方面進行分析研究，實驗證明：稀土元素的添加顯著提高了 h13 模具鋼表 面 ni-al 涂層的硬度和耐磨損性能。 關(guān)鍵詞：h13 鋼； 模具鋼；滲鋁；稀土；稀土-鋁共滲； 1 前 言 1

4、.1 h13 鋼及其熱處理方法的簡介 h13 模具鋼（國內(nèi)牌號為 4cr5mosiv1）是世界上普遍使用的強韌兼具的 熱作模具鋼，具有高的淬透性和抗熱裂能力。因其具有良好的熱強性、紅硬性、 較高的韌性和抗熱疲勞性能，廣泛用于鋁合金的熱擠壓模和壓鑄模，同時也可 用于制作熱鍛模和塑料模，是一種強韌兼?zhèn)?、質(zhì)優(yōu)價廉的鋼種。 h13 鋼屬于中合金鉻系熱作模具鋼，這類鋼的過冷奧氏體比較穩(wěn)定，具有 很高的淬透性，一般采用空淬也可以得到較高的硬度。為了防止淬火加熱時模 具表面的氧化脫碳，最好采用可控氣氛加熱、真空熱處理爐或鹽浴爐進行淬火 加熱。由于這些鋼中含有一定數(shù)量的釩，具有良好的抗過熱敏感性。淬火硬度 開

5、始會隨淬火溫度的提高而增高，當升到 10501070時達到最大值，此后再 提高淬火溫度，硬度增加很少而晶粒度開始長大。 滲鋁是金屬材料表面化學熱處理的一種方法，是把鋼制工件或介質(zhì)加熱到 一定溫度使鋁原子滲入并擴散到鋼材基體內(nèi)的過程。根據(jù)不同的使用要求、滲 鋁可在碳鋼、低合金鋼及高鉻鎳合金鋼基體上進行。這些材料經(jīng)過滲鋁后，在 其表面形成一層具有特殊性能的鐵-鋁合金層，從而提高材料的抗高溫氧化性能 和耐腐蝕性能。滲鋁的方法有多種，一般按處理過程的介質(zhì)狀態(tài)，操作方法及 加熱手段可分為：固體粉末包埋擴散滲鋁，液體熱浸擴散滲鋁，氣體滲鋁，涂 刷和噴涂滲鋁，靜電噴涂滲鋁，電泳沉積滲鋁，熔融鹽電解滲鋁，中頻

6、高頻料 漿快速感應(yīng)滲鋁等多種方法。其中應(yīng)用最多的是固體粉末包埋擴散滲鋁和液體 熱浸擴散滲鋁兩種方法。凡鋼材需要彎曲、焊接等再加工的一般均采用固體粉 末包埋擴散滲鋁方法。 滲鋁鋼的性能： （1）機械性能 總體上說，滲鋁鋼的機械性能取決于母材的機械性能，但在鋼材表面進行 滲鋁后，雖然滲層很薄，但滲層的機械性能同母材的機械性能相差很大，對其 基體材料的機械性能或多或少都會產(chǎn)生一些影響。材料表面經(jīng)過滲鋁后，在表 面形成一層鐵-鋁合金層，這層合金層硬度非常高，并且很脆。但是由于滲層厚 度有限，對于結(jié)構(gòu)件來說，不會對使用性能產(chǎn)生什么影響，但是對于受壓元件 來說，就不得不考慮滲層對機械性能的影響，為了盡可能

7、減少滲層對機械性能 的影響程度，從兩個方面加以控制，第一是調(diào)整滲劑配方，使?jié)B層硬度降低， 改善滲鋁層的機械性能；第二是控制滲層厚度，在滿足需要的前提下盡可能減 小滲鋁層的厚度，滲層薄對機械性能自然影響就小。碳鋼基體滲鋁材料可以進 行冷熱成型，在冷態(tài)拉伸長度不超過 8%，在加熱到 760以上時拉伸不超過 25%時 不影響滲層質(zhì)量。不銹鋼和其它高鉻鎳合金鋼不允許冷成型，熱成形時需加熱 到較高溫度。 （2）抗腐蝕性能 滲鋁鋼耐蝕性決定于滲層的鋁含量。當滲層中鋁含量達 8%（wt）時，抗 h2s 作用明顯增強，現(xiàn)在標準中一般要求滲層鋁含量大于 15%（wt） ，這時滲層 的原子含量在 30%以上，對金

8、屬材料的保護作用表現(xiàn)在，表面形成一層致密的、 附著力很強、并且極為穩(wěn)定的 al2o3保護膜，這層保護膜具有很強的自身修復 和再生性。研究表明當滲鋁含量在 8%(wt)以上時,就能形成連續(xù)的保護膜。在同 等條件下，滲鋁層的鋁含量在 15%（wt）以上，其耐蝕性比 18-8 級不銹鋼高三 倍以上。當滲層鋁含量達到 20%（wt）以上時，其抗高溫硫的腐蝕能力遠遠高 于含鉻 28%的不銹鋼。 （3）抗高溫氧化性能 在高溫氧化環(huán)境中，含鉻的不銹鋼能生成高鉻氧化膜，同樣滲鋁鋼表面也 能形成氧化膜，且氧化鋁膜比氧化鉻膜更穩(wěn)定、因此滲鋁層能更有效地保護金 屬材料。經(jīng)過實驗證明 cr13 型不銹鋼在 870以上

9、氧化環(huán)境中剝皮嚴重。在耐 高溫的鉻鉬鋼和 18-8 型以上高鉻鎳合金鋼表面進行滲鋁可進一步提高其抗高溫 氧化性能。 （4）抗?jié)B碳性能 在高溫富碳環(huán)境中，合金鋼和不銹鋼都發(fā)生滲碳，材料滲碳后，變得非常 脆，硬度提高，強度下降，嚴重時引起金屬粉末化，損壞鋼材的使用性能，但 在相同條件下滲鋁鋼的滲碳粉末化傾向甚微，因此在高溫富碳環(huán)境中使用滲鋁 鋼會大大提高材料壽命。滲鋁鋼之所以能有效地阻止?jié)B碳，是由于鋼材表面加 入鋁原子后、大大地降低了碳在鋼中的溶解度。 （5）抗?jié)B氫性能 滲鋁鋼能降低鋼的氫滲透速度，國外有關(guān)資料介紹，鐵素體和奧氏體鋼材 經(jīng)過滲鋁，其氫滲透速度比同種材料未經(jīng)過滲鋁的合金最少要降低 3

10、 個數(shù)量級。 因此滲鋁鋼具有良好的抗氫腐蝕作用，滲層比基體氫滲透速度要低 3 個數(shù)量級。 （6）導熱性能 滲鋁鋼與非滲鋁鋼的導熱性能沒有什么變化，但在高溫氧化環(huán)境中，由于 兩者的抗高溫氧化性能不同，非滲鋁鋼表面會形成氧化皮，從而使兩者的傳熱 效果發(fā)生變化。因此滲鋁鋼在高溫氧化環(huán)境中的傳熱效率會有所提高。 （7）焊接性能 滲鋁鋼的可焊性與其母材的可焊性差別不大，但兩者的焊接方法和焊接工 藝有所不同，滲鋁鋼的焊接要兼顧兩方面問題。一是要保證材料的整體機械性 能，二是要使焊縫表層具有與滲鋁層相同或相近的抗高溫氧化性或耐蝕性，并 且保證焊縫處的性能連續(xù)性。因此焊接時在焊縫處要作些特殊處理。 1.2 稀

11、土元素對 h13 鋼的影響及其催滲機理 許多研究工作表明1，稀土元素對表面改性工藝過程和改性效果有以下幾 方面的影響： （1）活化和凈化工件表面，促進滲入原子在鍍（滲）層中的吸附、沉積、 擴散，起催鍍（滲）作用。 （2）提高工件表面硬度、耐磨性和疲勞強度，提高斷裂韌性，使改性層強 韌化，提高改性層與基體的結(jié)合強度。 （3）改善物理、化學性能，如提高工件表面的抗氧化性和抗腐蝕性。 在相同的試驗條件下，加稀土的滲劑均顯示出較好的催滲效果，擴滲速度 的提高幅度約在 20%30%，處理時間可縮短 1/3 以上。稀土元素的催滲作用 可具體分析如下： （1）加速滲劑的分解。稀土元素的化學活性極強，它能使?jié)B

12、劑中的 al 原 子還原出來，因而能加速活性原子的產(chǎn)生，即能加速滲劑的分解。特別是當爐 氣中含有一定濃度的稀土元素時，將有利于煤油、乙醇、丙酮等高分子鏈鍵的 斷裂，促進 al 等活性原子的形成，并能加速表面強化處理的動力學過程。 （2）加速模具表面對活性原子的吸收。在稀土復合滲過程中，稀土元素的 原子首先被吸附于金屬的表面，從而使體系的能量降低。當稀土原子被吸附于 金屬表面后，一部分便以活性稀土原子的形式提供稀土源，并不斷向內(nèi)部擴散； 而另一部分則由于稀土元素的電負性低，將奪取鈍化膜中的氧并形成氧化物， 同時還會與其他元素形成稀土化合物。這不僅能凈化和活化金屬表面，而且所 形成的稀土化合物又能

13、起到催化劑的作用。 （3）加速滲入原子的擴散。當稀土元素的原子滲入模具表面后，將優(yōu)先吸 附于晶界、空位及位錯等晶體缺陷處，使表面濃度升高，濃度梯度相應(yīng)增大， 從而使?jié)B入原子的擴散加速。同時，其化學位亦隨之升高，原子擴散的驅(qū)動力 增大；另外由于大尺寸稀土原子的滲入，會導致嚴重的晶格畸變，產(chǎn)生大量的 空位及位錯等晶體缺陷，這就為滲入原子向內(nèi)擴散提供了眾多的通道，使其擴 散激活能改變共滲過程中的熱力學條件，并加速其動力學過程，起到催滲作用。 但是，過量稀土原子的滲入會使畸變的晶格、晶界、空位及位錯等晶體缺陷形 成相互制約的應(yīng)力場，使擴散原子難以突破“釘扎”阻力，形成一層壁壘，從而 阻礙 al 等原子

14、的進一步擴散，起到阻滲作用。所以，稀土復合滲的處理過程中， 只有添加適量的稀土元素才會起到催滲效果。 1.3 國內(nèi)外對 h13 鋼熱處理方法的研究現(xiàn)狀 1.3.1 激光表面處理 激光表面強化技術(shù)在近十年內(nèi)迅速發(fā)展。其目的是改變材料表面的成分和 顯微組織，改變表面性能，如提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能。 激光用于處理模具表面的方法包括激光表面淬火、激光表面涂覆、激光合金化、 激光沖擊硬化和激光非晶化等。目前激光表面淬火和激光表面涂覆及合金化已 用于提高模具壽命。其中激光表面淬火用得較為廣泛。 （1）激光表面淬火 激光表面淬火是以高能量的激光束輻照到金屬表面，使其表面急速加熱至 相變溫度

15、以上轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，此時基體仍處于冷態(tài)，且與加熱區(qū)之間有很陡的 溫度梯度，當激光束離開后，利用金屬本身的熱傳導進行“自淬火”，發(fā)生馬氏 體轉(zhuǎn)變，獲得相變硬化。與傳統(tǒng)的方法相比，激光淬火在表面形成了一層硬度 極高的特殊淬火組織。淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高 1520，淬硬 層可達 0.12.5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用壽命，而且強化后模 具表面光滑如初，變形小，基本上不需要再加工就能直接使用，特別適合處理 形狀復雜、精加工后不易采用其它強化方法的模具。 （2）激光合金化 激光合金化是以激光為熱源，在模具表面涂上特定的合金粉末，以足夠的 功率及掃描速度，使表面金屬快速熔凝，形成一層具

16、有要求深度和化學成分的 合金層，獲取特殊的表面性能。利用激光合金化技術(shù)獲得的高性能硬化層與基 體結(jié)合強度遠高于化學氣相沉積，能在一些表面性能差、價格便宜的金屬表面 生成耐磨、耐蝕、耐高溫的合金表面，代替昂貴的整體高級合金，因此在經(jīng)濟 上和技術(shù)上都有十分重要意義。除此之外，它在原理上基本與相變硬化類似， 也是利用激光束對模具表面進行熔融和激光處理，可獲得非常細小的組織，因 而表面強化性能更高，對低碳鋼、中碳鋼、低合金工具鋼等處理后，其表面性 能幾乎可與高強度鋼相媲美。 1.3.2 多元共滲及復合滲 將工件表層滲入多于一種元素的化學熱處理工藝稱為多元共滲， 在模具上 應(yīng)用的多元共滲主要有碳氮共滲、

17、氮碳共滲、硼氮共滲、硫氮碳共滲等。碳氮 共滲與氮碳共滲，即同時向零件表面滲入碳和氮的化學熱處理，碳氮共滲也稱 氰化，氮碳共滲也稱軟氮化。碳氮共滲以滲碳為主，氮碳共滲以滲氮為主。與 單一滲碳相比，碳氮共滲有許多優(yōu)點，主要提高了模具的表面硬度、耐磨性和 疲勞極限；并且由于碳氮共滲溫度較滲碳溫度低，共滲后一般可直接淬火，簡 化了生產(chǎn)工序，節(jié)約能源并減少了模具的變形。碳氮共滲根據(jù)使用介質(zhì)的不同 可分為氣體、液體、固體碳氮共滲。液體碳氮共滲有毒，污染環(huán)境， 工作條件 差，已很少應(yīng)用。氣體碳氮共滲速度快，模具變形小，模具具有較高的耐磨性、 抗粘著性，可使模具壽命提高 25 倍。氮碳共滲表層主要以滲氮為主，

18、提高模 具表面的耐磨性和抗咬合性。氣體氮碳共滲的主要特點是：力學性能綜合了滲 碳和滲氮的優(yōu)點，與滲碳相比表面硬度高、耐磨性好，同時還具有一定的抗蝕 性， 由于共滲層存在殘余壓應(yīng)力而提高了鋼的疲勞極限；與滲氮相比，共滲層 深度深，表面脆性小。 2 實 驗 2.1 實驗材料及設(shè)備 2.1.1 試樣材料 h13 模具鋼（國內(nèi)牌號為 4cr5mosiv1）是世界上普遍使用的強韌兼具的 熱作模具鋼。其成分如表 3-1 所示。 表表 3-1 h13 鋼成分鋼成分 化學成分（wt%） 牌號 cmnvsipscrmo h130.420.291.080.860.0180.0115.121.26 2.1.2 實驗

19、用品 （1）滲鋁劑：fe-al 粉。具體成分為： 55.16wt%al，0.017wt%p，0.022wt%s，0.078wt%o，余量為 fe。 （2）填充劑：本實驗全部采用未添加填充劑的滲鋁劑。 （3）催滲劑：分析純 nh4cl。 （4）稀土：分析純 ceo2。 2.1.3 其它實驗材料 坩堝、水玻璃、耐火泥等。 實驗選用坩堝作為容器，并用水玻璃+耐火泥密封，烘干后放置于熱處理爐 中進行加熱滲鋁。 2.1.4 實驗設(shè)備 （1）利用 msd-100a 刷鍍電源進行電刷鍍鎳。 （2）滲鋁劑在 dhg-9053a 型電熱恒慍鼓風干燥箱中干燥。 （3）試樣滲鋁在 sx2-4-13 型箱式電阻爐（最

20、高加熱溫度 1300）中完成。 （4）制備成金相后利用 olympus gx51 金相顯微鏡、jsm6460lv 型掃 描電鏡及能譜儀對試樣的滲層及表面進行組織觀察和成分分析。 （5）用 dx2700 型 x 射線衍射儀分析試樣表面的相結(jié)構(gòu)。 （6）用 hvs-1000 型顯微硬度計測試試樣的滲層及表面顯微硬度。 （7）用 hsr-2m 高速往復摩擦磨損實驗機測試試樣的耐磨損性能。 （8）用 nanomap500ls 三維納米劃痕儀檢測試樣的磨損形貌及機理。 2.2 工藝實驗 本課題研究的是稀土對 h13 模具鋼表面 ni-al 涂層的影響。根據(jù)本研究目 的，此工藝實驗分為兩部分進行：一是在

21、h13 模具鋼表面先刷鍍一層鎳層，二 是在此基礎(chǔ)上進行稀土鋁共滲。 鍍 ni 實驗過程為，電凈水洗活化水洗鍍特殊鎳水洗 鍍快速鎳。各鍍液配方如表 3-2表 3-5 所示。電凈時工件接負極，鍍筆接 正極；活化時，工件接正極，鍍筆接負極；鍍特殊鎳時，工件接負極，鍍筆接 正極；鍍快速鎳時，工件接負極，鍍筆接正極。鎳層厚度分為 20m、50m 和 80m 三個厚度。試樣一邊鍍鎳，另一邊不鍍鎳。 表表 3-2 電凈液的配方電凈液的配方 成分naoh（g/ l）na2co3（g/ l）na3po4（g/ l）naci（g/ l） 含量25.021.750.024.0 表表 3-3 活化液的配方活化液的配方

22、 成分h2so4（ml/ l）(nh4)2so4（g/ l） 含量80.6110.9 表表 3-4 特殊鎳的配方特殊鎳的配方 成分niso4.7h2o（g/l）nicl2.6h2o（g/l） ch3cooh（ml /l） hcl（ml /l） 含量396156921 表表 3-5 快速鎳的配方快速鎳的配方 成分niso4.7h2o（g/l）c6h7o7nh4（g/l）ch3coon（g/l）nh3.h2o（ml/l） 含量2545623106 稀土鋁共滲實驗，先把鐵鋁粉和分析純 ceo2在 120下烘 3 小時，每份滲 鋁劑在研缽中研磨 1 小時，使之充分混合，把試樣和滲鋁劑裝在坩堝中，使試

23、樣處于坩堝中心位置，充分包埋，用水玻璃和耐火泥輕輕密封，在 70下烘 30 分鐘后取出，最后在 950熱處理爐中保溫 6 小時后，隨爐冷卻。 3 實驗結(jié)果和分析 3.1 試樣表面宏觀特征 為了方便在本實驗中將試樣編號，如表 3-1 所示。 表表 3-1 試樣編號試樣編號 試樣編號試樣名稱 0 號單純滲 al 1 號re-al 共滲 2 號ni(20m)+re-al 復合滲 3 號ni(50m)+re-al 復合滲 4 號ni(80m)+re-al 復合滲 從坩堝中取出時試樣表面的宏觀特征如表 3-2 所示。 表表 3-2 試樣表面宏觀特征試樣表面宏觀特征 試樣編號試樣表面宏觀特征 1 號表面呈

24、白亮色，無粘著現(xiàn)象 2 號表面呈淺灰色，無粘著現(xiàn)象 3 號表面呈灰色，無粘著現(xiàn)象 4 號表面呈深灰色，無粘著現(xiàn)象 3.2 滲層厚度分析 圖 3-1(a)(d)依次為 1 號、2 號、3 號和 4 號試樣的滲層金相組織。表 3-3 和圖 3-2 是對應(yīng)的滲層平均厚度及其變化曲線。 從圖 3-1 可知，1 號試樣滲層組織疏松，結(jié)合程度一般，隨著鍍 ni 層厚度 增大到 50m 時，滲層組織越來越致密，結(jié)合程度越來越好。這可能是因為 al 和 ni 原子間發(fā)生了互擴散現(xiàn)象，形成了鎳鋁化合物相。但 4 號試樣滲層組織又 變得疏松，結(jié)合程度下降。這是因為鍍層本身具有多孔性，鍍層越厚，滲層內(nèi) 的孔隙越多，

25、使?jié)B層組織變得疏松；鍍層越厚，對 al 原子滲入的阻礙作用越大， 使?jié)B層結(jié)合程度下降。 (a) 1# re-al 共滲 (b) 2# ni(20m)+re-al 復合滲 (c) 3# ni(50m)+re-al 復合滲 (d) 4# ni (80m)+re-al 復合滲 圖圖 3-1 滲層金相組織滲層金相組織 表表 3-3 試樣滲層平均厚度試樣滲層平均厚度 試樣編號1 號2 號3 號4 號 滲層厚度(m)246154.18103.6689.22 01020304050607080 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 /um /um 圖圖 3-2 試樣滲

26、層平均厚度變化曲線試樣滲層平均厚度變化曲線 從圖 3-2 和表 3-3 可知，1 號試樣的滲層平均厚度最大為 246m。隨著鍍 ni 層厚度的增大，試樣的滲層平均厚度呈現(xiàn)出下降趨勢，4 號試樣的滲層平均 厚度最低為 89.22m。這是因為鍍 ni 層對滲入原子起到了阻礙的作用，并且隨 著鍍 ni 層厚度的增大，這種阻礙作用隨之增大。 33 硬度 本實驗選用 hvs-1000 型顯微硬度計，加載載荷為 50g，加載時間 15s。 331 表面硬度分析 試樣的表面硬度如表 3-4 所示。 表表 3-4 試樣表面硬度試樣表面硬度 試樣編號0 號1 號2 號4 號 表面硬度/ hv0.05602708

27、722.3760.6 從表 3-4 可以看出，稀土鋁共滲比單純滲 al 試樣的表面硬度要高的多，達 到 708 hv0.05；在稀土鋁鎳復合滲中隨著鍍 ni 層厚度的增加，試樣表面硬度隨 之增大，4 號試樣硬度最大，達到 760.6 hv0.05。這是因為一方面稀土元素的添 加促進了 al 原子的滲入，另一方面 ni 和 al 原子之間形成了高硬度的鎳鋁化 合物相。 332 滲層硬度分析 圖 3-3 依次為 1 號、2 號和 4 號試樣滲層硬度變化曲線。 從圖 3-3 可以看出，稀土鋁共滲和稀土鋁鎳復合滲試樣的滲層硬度變化趨 勢基本吻合，都是從表層至基體硬度依次下降，滲層表面硬度最高。在過渡區(qū)

28、 域硬度有些變化，這是因為稀土元素與滲層內(nèi)各合金元素的親合程度不同，改 變了滲層內(nèi)各合金元素的含量。 0306090120150180210240270300330360 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 1 2 4 /hv /um 圖圖 3-3 滲層硬度變化曲線滲層硬度變化曲線 34 x 射線衍射分析 本實驗采用 dx2700 型 x 射線衍射儀分析試樣表面的相結(jié)構(gòu)。 在一定溫度和鋁含量條件下，鐵鋁之間至少有 5 種穩(wěn)定化合物存在。rabin 和 wright5認為，fe 與 al 之間的反應(yīng)一般首先生成 feal3等富鋁

29、化合物，進一 步退火處理才會生成 feal 或 fe3al。joslin7與其合作者更發(fā)現(xiàn)在一定條件下 fe2al 的反應(yīng)合成中有兩個階段效應(yīng)，即在 850900左右首先生成 feal3， 而后在更高的溫度下（1200左右）依據(jù) fe、al 含量的比例再生成含鐵量更高 的鐵鋁化合物。 圖 3-4(a)(d)依次為 0 號、1 號、2 號和 4 號試樣的 x 射線衍射圖。 (a) 0# 單純滲 al (b) 1# re-al 共滲 20304050607080 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 intensity 2 nial ni

30、3al4 (c) 2# ni(20m)+re-al 復合滲 20304050607080 0 2000 4000 6000 8000 10000 intensity 2 nial (d) 4# ni(80m)+re-al 復合滲 圖圖 3-4 試樣的試樣的 x 射線衍射圖射線衍射圖 從圖 3-4 可以看出：單一滲鋁的試樣滲層表面主要由 fe3al、feal 和 fe2 al5相組成，且 fe2al5相的峰值明顯大于另兩個相；當滲鋁劑中添加了 0.7%（wt）ceo2后，試樣滲層表面主要還是由 fe3al、feal 和 fe2al5相組成， 但 fe3al 和 feal 相的峰值明顯大于 fe2

31、al5相的。這是因為稀土元素的添加促進 了 al 原子的滲入，使 fe 和 al 原子間由開始形成的富鋁化合物相向富鐵化合物 相轉(zhuǎn)化。2 號試樣滲層表面主要由 nial 和 ni3al4相組成；4 號試樣滲層表面主 要由 nial 相組成。這可能是因為鎳鍍層厚度的增大，加大了對 al 原子滲入的 阻礙作用，使 ni 和 al 原子間形成了相對富鎳化合物相。 35 磨損試驗分析 351 磨損時間與摩擦系數(shù)的關(guān)系分析 實驗采用 hsr-2m 高速往復摩擦磨損實驗機，加載載荷 100n，加載時間 5min，轉(zhuǎn)速 200r/min。 圖 3-5 依次為 0 號、1 號、2 號和 4 號試樣的磨擦系數(shù)隨

32、磨損時間的變化曲 線。 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0 1 2 4 min 圖圖 3-5 試樣的磨擦系數(shù)隨磨損時間的變化曲線試樣的磨擦系數(shù)隨磨損時間的變化曲線 從圖 3-5 對比分析后可以看出，隨著磨損時間的增加，單純滲鋁和稀土鋁 共滲試樣的摩擦系數(shù)基本成正比增大，添加了 0.7% ceo2的試樣的摩擦系數(shù)明 顯小于單純滲 al 試樣，且從 4min 開始不再有繼續(xù)增大的趨勢。隨著鍍 ni 層厚 度的增加，試樣

33、的摩擦系數(shù)越來越小，說明試樣的耐磨損性能越來越好。其中 4 號試樣的耐磨損性能最好，因為 4 號試樣的摩擦系數(shù)最小，并且穩(wěn)定性很高。 可能的解釋為一方面稀土元素的添加促進了鋁原子的滲入；另一方面 al 和 ni 原子間發(fā)生了互擴散現(xiàn)象，形成了高硬度的鋁鎳化合物相，提高了試樣的表面 硬度。 352 磨痕形貌分析 圖 3-6 為 0 號、1 號、2 號和 4 號試樣的磨痕截面圖。圖 3-7 為 0 號、1 號、 2 號和 4 號試樣的磨損量柱形圖。圖 3-8(a)(c)依次為 0 號、1 號和 2 號試樣的 磨痕整體形貌圖。 -1400 -1200 -1000-800 -600 -400 -200

34、0200 400 600 800 100012001400 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 1 2 4 /um /um 圖圖 3-6 試樣磨痕截面圖試樣磨痕截面圖 綜合圖 3-6、圖 3-7 和圖 3-8 可以看出，稀土鋁鎳復合滲試樣的耐磨損性能 比稀土鋁共滲和單純滲鋁的都要好，稀土鋁共滲試樣的耐磨損性能比單純滲鋁 的要好。其中 4 號試樣的磨損量最?。?.120） ，其耐磨損性能最好；0 號試樣的 磨損量最大（2.004） ，其耐磨損性能最差。這是因為試樣的表面硬度得到不同 程度的提高，一方面稀土元素的添加促進了鋁原子的滲入；另一方面 al 和

35、 ni 原子間發(fā)生了互擴散作用，形成了高硬度的鎳鋁化合物相。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0號1號2號4號 磨損量 圖圖 3-8 試樣的磨損量柱狀圖試樣的磨損量柱狀圖 (a) 0# 單純滲 al (b) 1# re-al 共滲 (c) 2# ni(20m)+re-al 共滲 圖圖 3-7 試樣磨痕整體形貌試樣磨痕整體形貌 353 磨痕機理分析磨痕機理分析 圖 3-9(a)(b)依次為 1 號和 2 號試樣在 500 倍下的磨痕形貌圖。 (a) 1# re-al 共滲 (b) 2# ni(20m)+re-al 復合滲 圖圖 3-9 試樣磨痕形貌試樣磨痕形貌 從圖 3-9 可以看出，試樣的

36、磨損機理為粘著磨損，因為圖中沒有出現(xiàn)一道 道的犁溝狀痕跡，而是一塊塊的塊狀脫落痕跡。 36 掃描電鏡分析 361 稀土鋁共滲（1 號試樣） （1） 線掃描分析線掃描分析 圖 3-10 是 1 號試樣的線掃描分析圖 (a) 過鍍區(qū)組織 5000 (b) 滲層至基體線掃描結(jié)果 (c) fe 分布情況 (d) al 分布情況 圖圖 3-10 1 號試樣線掃描分析圖號試樣線掃描分析圖 從圖 3-10 可以看出：基體內(nèi)基本無 al，滲層內(nèi) al 的含量從表面至交界處 呈現(xiàn)出減小的趨勢；滲層內(nèi) fe 含量低于基體，從表面至基體呈現(xiàn)出逐漸增大的 趨勢。由此看出，兩種元素表現(xiàn)出明顯的互擴散趨勢。 （2）定點元

37、素分析）定點元素分析 圖 3-11 和表 3-5 是 1 號試樣的滲層定點元素分析結(jié)果。 圖圖 3-11 定點元素分析定點元素分析 表表 3-5 滲層定點元素分析結(jié)果滲層定點元素分析結(jié)果 spectrumalsivcrfetotal line spectrum(1)33.772.4963.74100.00 line spectrum(2)26.044.8169.15100.00 line spectrum(3)11.701.594.5482.17100.00 line spectrum(4)1.741.610.644.4191.60100.00 line spectrum(5)1.600.76

38、5.0592.59100.00 line spectrum(6)1.390.756.6491.23100.00 max.33.771.611.596.6492.59 min.1.741.390.642.4963.74 從圖 3-11 和表 3-5 可以看出： 距表面較近的點 al 含量較高（33.77%） ，隨著距表面距離的增大，al 含 量相應(yīng)減小，至滲層和基體的交界處已降低至 1.74%，基體內(nèi)的定點不含 al。 cr 的含量隨著距表面的距離增大由 2.49%增大到 6.64%，但在滲層和基 體的交界處降低到 4.41%；基體內(nèi)靠近滲層的定點 cr 含量為 6.64%，高于未處 理的 h1

39、3 鋼（5.12%） 。 fe 的含量隨著距表面的距離增大而增大；至基體和滲層交界處達到 92.59%，高于基體內(nèi)的定點（91.23%） 。 滲層內(nèi)的定點基本不含 si，在滲層與基體交界處 si 的含量為 1.61%，明 顯高于基體內(nèi)的定點 1.39%。 由此證明 al 和 fe 原子發(fā)生了互擴散現(xiàn)象，且 al 原子的滲入使?jié)B層內(nèi)其它 合金元素的含量減少或消失。某些合金元素在靠近基體的滲層處的含量高于基 體內(nèi)的含量?？梢越忉尀?al 的滲入將這些合金元素排擠至靠近基體的滲層內(nèi)， 造成這一區(qū)域內(nèi)這些合金元素的富集。 （3） 特殊組織定點元素分析特殊組織定點元素分析 掃描電鏡下觀測到滲層內(nèi)出現(xiàn)許多

40、特殊的白亮顆粒狀組織，其定點元素分 析結(jié)果如圖 3-12 及表 3-6 所示。 圖圖 3-12 滲層內(nèi)特殊白亮顆粒狀組織滲層內(nèi)特殊白亮顆粒狀組織 表表 3-6 滲層內(nèi)特殊組織定點元素分析結(jié)果滲層內(nèi)特殊組織定點元素分析結(jié)果 spectrumalsivcrfemototal spectrum 11.868.5931.5754.363.63100.00 spectrum 26.197.7586.07100.00 spectrum 35.402.564.9087.14100.00 spectrum 45.911.511.764.5786.25100.00 max.6.192.568.5931.5787

41、.143.63 min.1.861.511.764.5754.363.63 由圖 3-12 及表 3-6 可以看出：滲層內(nèi)特殊白亮顆粒狀組織主要由 al、si、v、cr、fe 和 mo 元素組成。 362 稀土鋁鎳復合滲（2 號試樣） （1） 線掃描分析線掃描分析 圖 3-13 是 2 號試樣的線掃描分析圖。 (a) 滲層組織 5000 (b) 滲層至基體線掃描結(jié)果 (c) fe 分布情況 (d) al 分布情況 (e) ni 分布情況 圖圖 3-13 2 號試樣線掃描分析圖號試樣線掃描分析圖 從圖 3-13 可以看出：從滲層到基體，fe 元素呈現(xiàn)出先增大再減小后增大的 趨勢，在靠近基體的滲層

42、內(nèi) fe 元素有一個由高到低下降的過程，最低時低于基 體 fe 元素含量；從滲層到基體，al 元素呈現(xiàn)出由高到低下降的過程；從滲層 到基體，ni 元素呈現(xiàn)出由高到低下降的過程，在距表面 40m 以遠的滲層內(nèi)基 本無 ni 元素。由此得出在距表面 2040m 內(nèi) fe、al 和 ni 三種元素表現(xiàn)出明 顯的互擴散現(xiàn)象。這是因為鍍鎳層對鋁原子的滲入起到了阻礙作用。 （2）定點元素分析）定點元素分析 圖 3-14 和表 3-7 是 2 號試樣的滲層定點元素分析結(jié)果。 從圖 3-14 和表 3-7 可以看出： 距表面較近的點 al 含量較高（32.33%） ，隨著距表面距離的增大，al 含 量相應(yīng)減小

43、，至滲層和基體的交界處已降低至 1.26%，基體內(nèi)的定點不含 al 元 素。由此看出，al 元素從表面向基體擴散。 在滲層內(nèi)基本不含 si 元素，只是在靠近基體的滲層內(nèi)，si 元素含量從 2.30%下降到 1.09%，小于基體內(nèi)的定點 1.43%。 靠近表面最近的定點不含 cr 元素，在滲層內(nèi)，cr 元素呈現(xiàn)出先降低再 增大后降低的趨勢，其中結(jié)合部的 cr 元素含量 5.21%明顯小于基體內(nèi)定點的 5.97%。 在滲層內(nèi)，fe 元素呈現(xiàn)出先增大后降低再增大的趨勢，其中結(jié)合部的 93.70%大于基體內(nèi)定點的 92.60%。 距表面最近的定點內(nèi)含有 ni 元素，滲層其余定點內(nèi)不含 ni 元素。這說

44、 明滲層表面含有 ni 元素。 可能的解釋為：一方面在靠近表面的定點內(nèi) fe、al 和 ni 原子間發(fā)生了互 擴散現(xiàn)象；另一方面稀土元素與 si、cr 的結(jié)合力較大，致使?jié)B層內(nèi)的 si、cr 元素的含量明顯高于基體內(nèi)的。 圖圖 3-14 定點元素分析定點元素分析 表表 3-7 滲層定點元素分析結(jié)果滲層定點元素分析結(jié)果 spectrumalsicrfenitotal line spectrum(1)1.435.9792.60100.00 line spectrum(2)1.095.2193.70100.00 line spectrum(3)1.262.306.6089.84100.00 line

45、 spectrum(4)4.184.7791.05100.00 line spectrum(5)10.855.9383.22100.00 line spectrum(6)32.3336.9130.75100.00 max.32.332.306.6093.7030.75 min.1.261.094.7736.9130.75 363 稀土鋁鎳共滲（4 號試樣） （1） 線掃描分析線掃描分析 圖 3-15 是 4 號試樣線掃描分析圖 從圖 3-15 可以看出：從基體到滲層，fe 元素呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢； 從滲層到基體，al 元素呈現(xiàn)出一直減小的趨勢，在距表面 80m 以遠的滲層內(nèi) 基本不含 a

46、l 元素；從滲層到基體，ni 元素表現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小 的趨勢，在距表面 90m 以遠的滲層內(nèi)基本不含 ni 元素。由此看出在距表面 80m 左右，fe、al、ni 間發(fā)生了互擴散現(xiàn)象。這是因為鍍鎳層對鋁原子滲入 的阻礙作用進一步加強的原因。 (a) 過鍍區(qū)組織 2000 (b) 滲層至基體線掃描結(jié)果 (c) fe 分布情況 (d) al 分布情況 (e) ni 分布情況 圖圖 3-15 4 號試樣線掃描分析圖號試樣線掃描分析圖 4實驗結(jié)論 （1）由于鍍鎳層對鋁原子的滲入起到了阻礙作用，因此，隨鍍鎳層厚度的 增加，稀土鋁鎳復合滲試樣的滲層平均厚度呈現(xiàn)出下降趨勢。1 號試樣滲層平 均厚度最大，達到 246m；4 號試樣滲層平均厚度最小，為 89.22m。 （2）稀土鋁鎳復合滲試樣的表面硬度比稀土鋁共滲和單純滲鋁的高，稀土 鋁共滲試樣的表面硬度比單純滲鋁的高。4 號試樣的表面硬度最大，達到 760.6 hv0.05，0 號試樣的表面硬度最小，達到 602 hv0.05。 （3）稀土鋁鎳復合滲試樣的耐磨損性能比稀土鋁共滲和單純滲鋁的都要好， 稀土鋁共滲試樣的耐磨損性能比單純滲鋁的要好。其中 4 號試樣的磨損量最小 （0.120） ，其耐磨損