论文部分内容阅读
灰铸铁因其优异的综合性能、生产成本低,在汽车和大型机械机床等行业中广泛应用,成为国民经济中重要的支柱材料。通常其应用环境恶劣,要求其具有高耐磨、自润滑、抗变形,以及足够的强度、刚度等性能。因此本文通过等离子体渗氮在HT200灰铸铁表面生成具有一定厚度的渗层,研究了不同渗氮工艺参数对HT200灰铸铁微观组织结构、表面硬度以及耐磨性能的影响,并通过第一性原理对γ’-Fe4N相性质进行了表征。结果表明与钢相比,由于基体中片状石墨的存在,经不同工艺渗氮处理后HT200灰铸铁化合物层厚度仅在几到十几微米范围内,并且当石墨位于表面时形成的白亮层不连续。在520℃,渗氮时间由2h延长至12h的过程中,石墨的形貌发生了改变,部分由片状分布转变为点状分布,在520℃渗氮6h时,石墨片分布最均匀。XRD衍射分析表明,在520℃不同时间渗氮处理后,表面相组成均为γ’-Fe4N和ε-Fe3N相,由于合金元素的固溶γ’-Fe4N相(111)晶面的衍射峰向高角度发生了偏移。固定渗氮时间,在480℃和520℃渗氮时,表面生成相为γ’-Fe4N和ε-Fe3N;在550℃和570℃渗氮时,表面还出现了α’-Fe相。随着渗氮温度的增加,ε相相对含量降低。通过SEM表面形貌分析,在520℃渗氮6h时表面氮化物分布最均匀。由表面硬度与耐磨性能测试,将HT200灰铸铁等离子体渗氮最佳工艺确定在520~550℃处理6~8h的范围内。在520℃渗氮处理6或8h,与未处理试样相比表面硬度提高了约两倍,摩擦系数降低了约一半,稳定在0.20附近。磨损失重在520℃渗氮8h时最小,且仅为未渗氮处理试样的3.4wt.%。渗氮处理影响了灰铸铁的磨损机制,未渗氮时主要为磨粒磨损,在520℃渗氮6h时,主要为氧化磨损。第一性原理计算结果表明,在渗层生成相γ’-Fe4N中,Ni原子优先取代顶角位置Fe原子。随着Ni添加量增加,γ’-(Fe1-xNix)4N稳定性与合金化能力下降,模量值均增加且呈现良好的韧性。Cr原子优先取代面心位置Fe原子,Cr原子的掺杂增加了γ’-Fe4N成键峰的数量,增强了原子间的结合能力,是稳定γ’-Fe4N相元素。且添加Cr原子后,γ’-Fe4N的体模量略有降低,剪切模量和杨氏模量均增加,韧性降低。添加不同含量的Ni、Cr原子后均引起了晶胞体积的收缩;加入Ni原子后,Fe-N原子间的共价作用增强。与顶角位置Fe原子相比Ni原子和面心位置Fe原子间的成键作用更强,同时Ni原子与面心Fe原子间的成键作用比Cr原子与面心Fe原子间的成键作用更强;此外模量值的增加也表明原子之间键合强度增强。