应用复合离子注入法改善W9Cr4V2Mo轴承钢力学性能.doc

应用复合离子注入法改善W9Cr4V2Mo轴承钢力学性能. 应用复合离子注入法改善W9Cr4V2Mo轴承钢力学性能. PAGE / NUMPAGES 应用复合离子注入法改善W9Cr4V2Mo轴承钢力学性能. 应用复合离子注入法改善 W9Cr4V2Mo轴承钢力学性能 2012-03-09 论文导读 : 目前被广泛应用的 W9Cr4V2Mo轴承钢由于其最终热处理 ( 回火 ) 温度较 低 , 而磨损又是轴承最主要的失效方式之一 . 因此许多表面处理技术不能用于轴承钢 , 而作为一种低温过程的、无工件畸变的离子注入表面改性技术很适合对其进行表面强化处理 目前被广泛应用的 W9Cr4V2Mo轴承钢由于其最终热处理 ( 回火 ) 温度较低 , 而磨损又是轴承最主要的失效方式之一 . 因此许多表面处理技术不能用于轴承钢 , 而作为一种低温过程的、无工件畸变的离子注入表面改性技术很适合对其进行 表面强化处理 . 本文运用多种复合离子注入工艺对 W9Cr4V2Mo轴承钢进行了处理 . 综合考察经各种工艺处理后材料的力学性能 , 目前已将离子注入 N+Ti,N+Ta+C两种工艺初步在零件的表面改性过程中应用 . 试验材料及工艺方法试验材料为 W9Cr4V2Mo轴承钢 , 试样尺寸分别为 和 的圆盘 , 研磨抛光后 , 用无水酒精、丙酮进行清洗烘干 . 离子注入是在我院研制的 DLZ-100 型多功能离子注入机上进行 , 该装置配备有 MEVVA离子源、气体离子源和溅射源 . 本底真空 <2×10-3Pa, 选择的注入离子分别 为 :N+Ti,N+Ta,N+Nb,N+Ta+C.由于 W9Cr4V2Mo轴承钢的回火温度较低 , 注入的束流密度要有很好的控制 . 对基体和所有处理过的试样进行显微硬度和摩擦磨损测 试分析 , 并对基体和经离子注入工艺处理后试样表面力学性能进行了微观分析. 结果与讨论 试样表面显微硬度的对比在 HX-1000 型显微硬度计上对试样进行显微硬度测试 . 与未处理的基体试样相比 , 经离子注入处理后试样的显微硬度都有一定的提高 , 其中经复合离子注入 N+Ti 试样的效果最为明显 , 提高幅度达 30%. 试样表面残余应力的测试分析在 MSF-2M型 X 射线应力分析仪上对试样残余应力进行检测 . 与基体相比 , 除 N+Ti 注入外 , 经复合离子注入处理后试样表面的残余应力都有一定的改变 , 体现为残余压应力的增加 , 其中 N+Ti 复合离子注入后残余应力降低 , 经分析可能是由于试验测量有一定的误差 . 离子注入后 , 使原来淬火畸变的晶格进一步畸变和膨胀 , 基体阻止这种膨胀 而在表面形成残余压应力或使原存于表层的压应力增值 . 残余压应力的增加提高了试样的疲劳寿命 , 使材料表面的强化进一步得到加强 . 试样表面形貌的分析采用扫描电镜 (SEM)对未处理试样和经 N+Ti,N+Ta,N+Ta+C 3 种工艺处理后的试样进行了表面形貌观察 . 试样表面的形貌有着较大的差异 . 离子注入后 , 材料表面注入层晶粒细化 , 引起了晶界的增加 , 使位错的运动更加困难 , 材料硬度提高 , 表面得以强化 , 而且离子注入时的轰击作用 , 使试样表面的粗糙度降低 , 耐磨性进一步提高 . 试样注入层微观组织结构 W9Cr4V2Mo轴承钢试样经复合离子注入N+Ti,N+Ta,N+Ta+C后, 经 X 光电子能谱仪和 X 射线衍射仪测量表明 , 表层形成Fe3N、TiN、 TaN,CrN等氮化物 , 且呈弥散分布 ; 同时注入层还存在一定的氧化 物、碳化物以及游离态的碳 . 从基体和注入试样的衍射图同样得出 , 注入试样相对于基体表层析出了大量的新相 , 形成了大量的氮化物以及固溶体 , 其主要成分与 XPS分析的结果一致 . 复合离子注入后试样表面形成的这些氮化物、碳化物等硬质相以及固溶体 , 它们弥散分布在试样的表面层 , 使其硬度提高 , 耐磨性增强 . 结论复合离子注入 N+Ti,N+Ta,N+Nb,N+Ta+C是改善 W9Cr4V2Mo钢表面特性、提高硬度、增强抗磨损能力的有效方法 , 其中 N+Ti,N+Ta,N+Ta+C处理后试样的效果更为明显 . 磨损测试结果表明 , 复合离子注入 N+Ti,N+Ta,N+Ta+C处理后试样耐磨性的提高都在 3 倍以上 , 且摩擦系数明显降低 . X 射线衍射和 X 射线光电子能谱分析结果表明 , 在试样改性层中形成了大量的氮化物、碳化物等硬质相以及固溶体 , 它们在改善 W9Cr4V2Mo轴承钢的磨损特性、提高表面硬度中起到了关键的作用 ; 离子注入后残余压应力的增加 , 提高了材料表面的抗疲劳性 , 使表面强化进一步得到加强 ; 且离子注入后试样表面形貌的变化也是提高耐