【正文】 0%） ；磨掉白亮層；在 20%NaCN 溶液中，于 60～ 80℃ 浸煮 68h，去掉白亮層。表面氧化一般沒有什么影響，對(duì)要求高的零件可再進(jìn)行一次 3h的氮化處理 ，因氨分解的氫使工件表面上的氧化物還原，從而使氧化色消除。這種組織的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響氮化質(zhì)量，使氮化層脆性增加，極易剝落， 可用擴(kuò)散處理方法予以減輕。 滲碳 ： 滲碳是目前應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法。氮化在鋼件表面形成穩(wěn)定的化合物層，所以氮化還可以提高鋼件的抗蝕性。而齒輪機(jī)床是機(jī)床工業(yè)公認(rèn)技術(shù)含量最高、零部件最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的產(chǎn)品之一。 13 第二章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件 試樣的制備 機(jī)床齒輪的性能不僅取決于基材的常規(guī)工藝操作，也取決于后期的特殊工藝操作，如離子氮化 及離子氮化工藝參數(shù)的設(shè)置 。 最終熱處理 調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火 [23]。 離子氮化處理 離子氮化， 又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時(shí)由于吸附和擴(kuò)散作用，氮遂滲入工件表 面 ，離子滲氮裝置見圖一 [24]。相比于氣體滲氮，離子滲氮具有清潔無公害、滲速快、節(jié)能省氣、畸變小、滲層組成可調(diào)、處理溫度范圍廣 ( 從 380 ～ 850 ℃ ) 等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼、不銹鋼、球墨鑄鐵、灰口鑄鐵、鈦合金、粉末冶金等材料的表面強(qiáng)化 。而在實(shí)際使用中，對(duì)齒輪的性能要求很高。 金相顯微鏡 金相顯微鏡用于鑒別和分析各種材料內(nèi)部的組織。 X 射線衍射儀 X 射線衍射儀是利用 衍射 原理 ,精確測(cè)定物質(zhì)的 晶體結(jié)構(gòu) ,織構(gòu)及應(yīng)力 ,精確的進(jìn)行物相分析 ,定性分析 ,定量分析 ,廣泛應(yīng)用于冶金 、 石油 、 化工 、 科研 、 航空航天 、 教學(xué) 、 材料生產(chǎn)等領(lǐng)域 。表層為白色氮化物層 (ε 相 )，次表層侵蝕后變黑，是氮化擴(kuò)散層，在 ε 相和擴(kuò)散層之間常有白色的脈狀分布的氮化物組織，由于氮濃度的增加，脈狀組織可以變粗，甚至形成網(wǎng)狀 [28]。 XRD 特別適用于晶態(tài)物質(zhì)的物相分析。 X 射線衍射基于單色 X 射線與結(jié)晶樣品之間的相長(zhǎng)干涉，衍射線空間方位和晶體結(jié)構(gòu)之間滿足布拉格定律 。任何一種結(jié)晶物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，在一定波長(zhǎng)的 X 射線照射下，每種晶體物質(zhì)都給出與其唯一對(duì)應(yīng)的衍射花樣。鑒別物相首先從峰位入手，如果峰位能對(duì)上，初步判定為該物質(zhì)；其次，還要看各衍射峰的強(qiáng)度相對(duì)比是否也與標(biāo)準(zhǔn)卡片上的峰強(qiáng)比一致，如果都一樣則可肯定為該物質(zhì)。本文結(jié)合實(shí)際操作，簡(jiǎn)單的總結(jié)了 X 射線粉末衍射儀測(cè)試中的一些小經(jīng)驗(yàn)。硬度的實(shí)質(zhì)是材料抵抗另一較硬 材料壓入的能力。硬度的測(cè)定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。另一類試驗(yàn)方法是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，這類方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的。拋光后，用 4%硝酸溶液對(duì)其進(jìn)行 腐蝕 ，最后用無水乙醇清洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干，制成金相試樣，然后在借助 顯微硬度計(jì) 觀察原始試樣及 離子滲氮 后 試樣的 硬度變化值。 原始試樣及 滲氮層的耐磨性的測(cè)量 磨損是引起機(jī)械零件失效的主要原因之一 ，人們總是希望能夠盡量減少磨損。粘著磨損是摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于固相焊合，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變 形和反破壞的能力。 涂料工業(yè)中指涂層對(duì)摩擦機(jī)械作用的抵抗能力。在一定的負(fù)載下，涂膜用橡膠砂輪經(jīng) 過 規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)打磨后，求得涂膜的失重量，以克表示。某些希望有表面硬度的紙如箱板紙和書寫紙，一般要用淀粉或膠料進(jìn)行表面處理。因?yàn)闈B氮層的組織和物相發(fā)生了變化，所以材料的硬度及耐磨性也發(fā)生了變化 [27]。因此只有分析清楚齒輪在離子滲氮前后的顯微組織及成分的 變化 ，才可以更好的對(duì)材料的性能進(jìn)行測(cè)試 ，進(jìn)而更好地驗(yàn)證離子滲氮可以提高材料的硬度及耐磨性， 從而對(duì)材料的實(shí)際應(yīng)用有更好的掌握。 調(diào)質(zhì)熱處理是淬火加高溫回火 ， 調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能得到 改善 ，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。 由 4 可知，我們采用的原始試樣600181。 為了獲得原始試樣和離子滲氮處理后試樣的成分，我們采用 X 射線衍射 儀，并對(duì)其成分做細(xì)致 分析，進(jìn)而更好地判斷離子滲氮前后其性能的變化情況。)CPSFeFeFe 0 20 40 60 80 10050100150200250Fe4NFe4NFe4NCPS2 θ /(176。 離子滲氮最重要的特點(diǎn)之一是可以通過控制滲氮?dú)夥盏慕M成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制表面化合物層（俗稱白亮層）的結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散層組織，從而滿足零件的服役條件和對(duì)性能的要求。其中，由于溫度和氣氛控制的適當(dāng)，白亮層呈條狀分布。m 600181。 顯微硬度試驗(yàn)是一種微觀的靜態(tài)試驗(yàn)方法， 常用的有維氏 （ Viokers）硬度 [29]。測(cè)試所用載荷為 ， 加載 10 s，每個(gè)試樣測(cè)試 5 個(gè)點(diǎn)，取其平均值。本結(jié)果說明， 與未滲氮試樣相比，離子滲氮可以提高試樣的硬度 。氮化物具有很高的硬度，而且晶 格常數(shù)比基體 ɑFe大得多，當(dāng)它與基體保持共格聯(lián)系時(shí)，使 ɑFe晶格產(chǎn)生很大的畸變，從而產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果 。 23 原始試樣及離子滲氮試樣 耐磨性的比較 一般情況下，硬度越高，耐磨性越好。m 400181。 從磨損形貌圖 7(c)(d)來看 ，更加清楚地觀察 到：未滲氮的試樣，表面磨痕較多，而且較深，粘附物 較多；滲氮后的試樣，磨痕 數(shù)目較少且變淺，同時(shí) 粘附物 較少。 從圖 7(a)曲線中可以看出 原始試樣 在 整個(gè) 摩擦 過程內(nèi)粘著作用明顯， 在以后的時(shí)間中由于金屬表面不同部位粘著作用的增強(qiáng)和減弱 ， 摩擦系數(shù) 略有浮動(dòng) 。 因而，從 700s 往后， 摩擦系數(shù)有所下降 。在此基礎(chǔ)上，離子滲氮工藝可以顯著提高 40Cr 的 硬度 、耐磨性等性能。 可見，離子滲氮工藝是一種有效的提高 機(jī)床齒輪 綜合性能的途徑。 29( 2) ： 7076 [21] 閻牧夫 ,夏立芳 ,祖國(guó)成 .離子滲氮表面氮濃度的 X 射線分析及實(shí)驗(yàn)研究 . 物理測(cè)試 ,1990。 在此特向我的導(dǎo)師胡蘭青教授表示衷心的感謝，感謝導(dǎo)師對(duì)我的指導(dǎo)、幫助和關(guān)懷！ 同時(shí)感謝 蔡一萍師姐 ， 陳智敏師兄 在論文 完成 過程中對(duì)我的幫助， 還有實(shí)驗(yàn) 過程中對(duì)我的 悉心指導(dǎo)。 感謝我的母校太原理工大學(xué)，感謝四年來教過我的各位老師！四年的培養(yǎng)，為我樹立了正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀！ 最后，深深感謝給予我無私關(guān)懷、養(yǎng)育和傾注全部心血的父母，是他們?cè)谏钌系闹С?，使我能夠潛心學(xué)習(xí)，特向他們表示衷心的感謝！ 30 附錄一 英文翻譯原文 EFFECT of ION NITRIDING ON the MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES of MARAGING STEEL (250 GRADE) Kishora ShettyS. Kumarb,P. Raghothama Rao。 感謝 我們實(shí)驗(yàn)組的其他同學(xué)， 陪我一起實(shí)踐探索，陪我一起學(xué)習(xí)文獻(xiàn) 。12(5):6772 [24] 王瑞權(quán) , 韓秋華 , 劉妍研 , 夏霏霏 ,邢博 ,熱處理工藝對(duì) 40Cr 組織和摩擦性能的影響 , 熱處理技術(shù)與裝備 ,20xx(4):6773 [25] 韓莉 ,趙程 ,40Cr 鋼富氮層快速離子滲氮技術(shù)的探索 ,材料熱處理學(xué)報(bào) ,20xx,(08):9096 [26] Billon B, Hendry A. Microstructure of nitrided stainlesssteel[J]. Surface Engineer, 1985 (1): 114 [27] 曾耀新 .提高奧氏體不銹鋼磨損和腐蝕抗力的氮化 [J].表面工程雜志 , 1996, 31(2):4859 [28] 王宗英 ,肖楠 ,呂淑萍 . 40Cr 鋼表面改性處理及磨損性能研究 [J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ), 20xx,(03):7881 . [29] A Erdemir,C Bindal,J Pagan,P Wilbur. Characterization of transfer layers on steel surfaces sliding against diamondlike hydrocarbon films in dry nitrogen .Surf. Coat. Technol. 1995, 76– 77 :559563 . [30] Erdemir A, Bindal C, Fenske G R, et al. Characterization of transfer layers forming on surfaces sliding against diamondlike carbon .Surface and Coatings Technology, 1996, 8687 :692697 . 29 致 謝 本論文是在導(dǎo)師胡蘭青教授的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的，胡蘭青老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、勤奮的工作精神深深的感染了我，使我終身受益。(3) [18] 周上祺 , 任勤 , 范秋林 .25Cr2MoVA 鋼快速離子滲氮的 X 射線衍射分析 .重慶大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ) ,1998。 （ 2） 與未滲氮試 樣相比， 離子滲氮處理后的試樣，其硬度 顯著 提高。由此得出， 離子滲氮 處理后試樣表面的硬度增加 ， 摩擦系數(shù)下降 ， 耐磨性 顯著提高 。 因此 ，未滲氮試樣的摩擦系數(shù)約 為 ； 從圖 7(b)曲線中可以看出 ：在 摩擦 初始階段 0～ 700s 內(nèi)，即跑和階段， 金屬表面由于污染，粘著 磨損 和磨粒 磨損 共同作用，摩擦系數(shù) 急劇上升 ； 由于金屬表面 N 元素的注入 ， 表層出現(xiàn)白亮層， 白亮層是滲氮物的混合層。 同時(shí)可以初步斷定 40Cr 鋼為粘著磨損。m 24 0 1000 20xx 3000 4000 50000 .00 .20 .40 .60 .81 .0摩擦系數(shù)時(shí)間 （ a） 40Cr 的摩擦系數(shù) 0 1000 20xx 3000 4000 50000 .20 .40 .60 .81 .0摩擦系數(shù)時(shí)間 （ b） 40Cr10N 摩擦系數(shù) 圖 原始試樣和離子滲氮試樣的摩擦系數(shù) 25 由表六 我們可以看出：未滲氮試樣的磨損量為 ， 滲氮試樣的磨損量為， 可見，離子滲氮后的試樣其磨損程度明顯減小，耐磨性顯著提高。 表六 、原始試樣和離子滲氮試樣的磨損量（溫度 25℃ ；濕度 40％ ；載荷 1024g） 時(shí)間 h 摩擦前的重量 m1（ g） 摩擦后的重量 m2（ g） 摩損量 △ m（ g） 0 10 (a)原始試 樣 （ c） 原始試 樣 （ b） 離子滲氮 10h （ d） 離 子滲氮 10h 圖 原始試樣和離子滲氮試樣 的磨痕表面 形貌圖 50181。 由公式 （ ） 知 原始試樣的顯微硬度為 414HV，滲氮層的硬度為 。m ） 滲氮層硬度 （ HV） 基體 壓痕 直徑 d2（ 181。氮 離子注入后，試樣表面的顯微硬度得到了大幅度的提高。 對(duì)于 40Cr 離子 滲氮處理，氮化層都比較薄，如果 用 大載荷，基體硬度的影響太大，測(cè)量值不能反映滲層硬度特征，為盡量減小測(cè)量誤差，采用 載荷對(duì) 原始試樣和離子氮化處理后的試樣 進(jìn)行了測(cè)量 。 硬度通常是用各種類型的壓痕法測(cè)量的，因此，了解塑性變形過程對(duì)于解釋測(cè)量結(jié)果是很重要的。 為了證明上述觀點(diǎn)，我們專門對(duì)原始試樣和離子滲氮處理后的試樣的硬度，耐磨性做了研究。 （ a） 原始試樣 （ b） 離子滲氮 10h 圖 原始試樣及離子滲氮后試樣的顯微組織 由圖 5 知 ：原始試樣的 組織為回火索氏體，離子滲氮后的試樣滲氮層的組織為回火索氏體及氮化物，心部組織為針狀的回火索氏體。 原始試樣及滲氮層組織分析 根據(jù) Kollbel“濺射 沉積”理論 [30]， 當(dāng)離子滲氮 時(shí)間短 時(shí) ， 單位體積內(nèi)分子數(shù)量很少 ， 碰撞幾率 小， 使得應(yīng)急表面濺射出的鐵離子自由程較長(zhǎng) ， 工件表面形成及沉積的 FeN 幾率就低 ， 同時(shí) ， 較高動(dòng)能的離子轟擊表面引起新形成的化合物層被濺射。 物相定性分析是通過將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 d 值和 I 值與已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的數(shù)據(jù) 比較，獲悉物質(zhì)所含的元素和 元素間的化合狀態(tài) 。m 20 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 Cr 基材。 40Cr 調(diào)質(zhì)后的組織見圖 3（ b）。 原始試樣及調(diào)質(zhì) 后試樣的組織形貌分析 （ a） 原始試樣