文摘

气体渗氮工艺参数对渗氮层的物质有显著的影响。在目前的工作,一系列的气体氮化实验珠光体灰口铸铁标本在不同的温度下进行。研究了渗氮工艺参数对渗氮层的影响,氮化处理的数值模拟执行,考虑到氮化潜力的阈值。结果表明,数值模拟,结合氮化潜在的阈值,可以准确地预测深度和氮浓度剖面。氮化层氮化时间和温度的增加而增加,而表面的氮浓度随温度增加。此外,结果还显示,氮化潜力几乎没有对渗碳层深度的影响,而表面氮浓度有很大的影响,复合层的化学成分。

1。介绍

气体渗氮是一个典型的热化学表面处理在共析温度、氮的转移从氨气到工件表面,生成γ阶段(γ′菲₄N)和ε阶段(ɛ菲₃N) (1,2]。氮化后,就可以形成所谓的复合层和扩散区,它能够改善材料的磨损和耐腐蚀和提高耐疲劳3,4),分别。渗氮工艺参数,如氮化,渗氮温度和氮化潜力,对渗氮层的形成有很大的影响。渗氮工艺参数主要是由经验在实际工程应用中。对渗氮层的影响不是很清楚从数学观点。因此,考虑渗氮层的工艺参数的敏感性,有一个紧急的需求调查数学过程参数的影响。

近年来,进行了大量的实验工作,旨在探讨氮化工艺参数对氮化过程的影响。然而,由于高耗费时间和经济成本,实验方法不是很有效且可行的在实际应用中,特别是在参数大范围变化。在这种情况下,数值分析可以是一个不错的选择,研究工艺参数的影响。Arif et al。5]研究氮化时间的影响,氮化温度、氮浓度和氮化潜力和硬度深度剖面通过使用有限元代码。在他们的研究中,复合层的影响没有考虑氮浓度分布,所以计算深度大于实验数据。为了避免上述缺陷,杨et al。6,7)提出了一种复合层为合金钢增长模式。然而,不同的临界值和阈值被忽视在杨的研究氮化潜力。此外,胡锦涛等。8,9)模拟多级渗氮势控制下的氮化过程。在他们的研究中,没有复合层的渗氮层是通过控制渗氮工艺参数。此外,大多数的研究发表在《文学关注的是纯铁或钢的氮化过程。为灰口铸铁,一种广泛使用的材料,相关研究缺乏。

在目前的工作,一系列的气体氮化实验在灰口铸铁标本进行了550年,570和590°C。之后,进行了数值模拟,结合氮化潜在的影响对渗氮层的阈值和菲克第二定律。计算扩散区厚度与测试数据来验证数值模拟。最后,渗氮工艺参数的影响,包括渗氮温度、渗氮潜力,和氮化时间,进一步调查。

2。实验工作

2.1。材料

材料测试研究珠光体灰口铸铁。材料的化学成分如表所示1。图1描述了灰口铸铁的显微组织。内的石墨材料在表的形式。由于大量的石墨,灰口铸铁具有良好的传热能力,自润滑性能和良好的铸造工艺性能。这是一个非常合适的材料组件在高温摩擦条件下操作。

2.2。氮化过程、样品制备和设备

气体氮化实验进行灰口铸铁标本。标本被分成三组,每组两个标本。测试温度设置为550、570和590°C组,相同的24小时总时间和渗氮1.5 atm的潜力^−1/2。

氮化后,标本是由一个标准的研磨和抛光过程中,执行及显微组织观察使用地产- 5610 lv SEM。为了观察标本蚀刻5%硝酸浸蚀液由奥林巴斯PMG3渗氮层。硬度测试的样品也通过应用的负载1 N的保持时间10 s。此外,6分的硬度进行了测试一个样品平均值被送往代表最终的硬度。

为了获得的复合氮化层,表层的XRD分析了使用D8 CuK x射线衍射仪,在40 kV和40 mA。扫描区域的范围在15 - 90°。

3所示。气体渗氮过程的数值模型

3.1。理论背景

在气体渗氮,氮原子与氨(NH分离₃)气体,然后扩散到工件表面的组件。离解遵循以下规则: 其中[N]表示N原子溶解在工件表面。

上述假定建立了平衡方程。活性氮原子是溶解在铁晶体晶格,这不仅促进了氮化α菲,也加速复合层的形成和生长。在纯铁原子氮的解决方案相对比较快,这并不影响氮化率(10]。构建数学模型时,为了方便起见,假定石墨对氮化率没有影响,尽管石墨是广泛分布在铁矩阵(11]。这种假设的产生的影响将在节中详细讨论5.1。

灰口铸铁内的原子氮的变换是由扩散速度,由菲克第二定律描述: 在哪里代表了在物质和氮浓度是氮原子的扩散系数。

3.2。数值模型和边界条件

氮化潜在的NH是氮化的测量能力₃气体。渗氮表面上的阶段和氮浓度密切相关当地建立平衡后的氮化潜力。最早,纯铁的知名主持人图,由主持人通过调查NH的平衡条件₃- h₂和Fe-N12),被用来确定氮化阶段的关系,氮浓度,氮化潜力。

氮化潜在的临界值是定义为转折点的成核阶段发生在一定的温度。这个值可以直接从主持人获得图。然而,在工程应用中,氮化层复合成核潜力并不完全等于临界值,自一个最小值,所谓的阈值,超过了一定的氮化时间。理论公式(13氮化阈值的潜力 在哪里潜力的阈值是氮化渗氮时间吗,是氮化的临界值的潜力,是气固反应的传质系数,代表了互补的误差函数。

在一定的氮化温度、时间,代表复合层的成核起始时间,可以得到氮化潜在的临界值(3)。的准确性,在当前的研究中定义两个过程。在第一阶段,,复合层并不成立。在第二阶段,复合层开始成核和生长。初始条件的阶段我可以被描述为 在哪里是初始氮浓度在灰口铸铁。

我是舞台上的边界条件 在哪里代表了氮原子的扩散系数扩散区,从表面的深度,是气相中的氮浓度,氮浓度在灰口铸铁的表面。

在我结束阶段,复合层开始形成和氮浓度复合层和扩散区之间的接口是处于平衡状态。在扩散过程中,氮浓度的接口设置为不变。因此,获得的氮浓度铸铁表面可以被认为是作为第二阶段的初始边界条件。由于复合层的厚度远小于扩散区(7),在渗氮过程中界面移动的影响研究中被忽略。基于假设,第二阶段的边界条件是以下形式: 在哪里是氮浓度I期后在工件表面。

需要校准的参数是扩散系数传质系数。为参数主要合金元素的影响,这是与氮原子反应的能力。为灰口铸铁,执政的合金元素铬,而扩散系数影响不大,当其含量低于5% (14,15]。中的铬元素分析灰口铸铁是0.051%,所以影响可以忽略。扩散系数是由下列方程(16]: 在哪里气体常数的值为8.314 J /摩尔·K和吗是氮化温度。

为参数,它是由下列方程(8]:

在实践中,由于复合层是一个多相组成、氮原子的扩散系数在这方面很难确定,和复合层的厚度只能由实验数据决定。因此,这项研究是旨在预测扩散层的厚度,分析了渗氮工艺参数的影响。

4所示。实验评估

4.1。光学显微镜

通过光学显微镜进行了横断面观察。图2显示了氮化后的情况下深度在550,570和590°C。如图,表面白层形成,称为复合层。复合层,下面有一个扩散区,这是观察到的作用不是那么明确。它可以发现,复合层随渗氮温度的增加,平均厚度值在550,570,和590°C是4.50,9.05和12.9μm,分别。复合层厚度之间的关系()和氮化温度是绘制在图3展示一个线性特性;也就是说,。

4.2。硬度测量

测试硬度值在100年和130年的深度μ表中列出2。随着表面距离的增加,硬度在一定程度上减少。100年和130年μm,硬度得到最大值在570°C。

渗碳层深度是由氮化样品的显微硬度测试。深度是工件表面之间的距离和位置矩阵的硬度是一样的材料。分析了灰口铸铁,氮化后获得的平均情况的深度是79,139和155μ在550、570和590°C,分别。

4.3。XRD分析

图4介绍了样本的XRD衍射图的表面。横向和纵向坐标代表了衍射图角度和衍射图的力量,分别。由于相对薄的复合层,反射强度γ′菲₄N阶段不够明显。然而,它可以发现,氮化后,表面的主要阶段γ′菲₄N和ɛ菲₃N,这证实了表面复合层的存在。

5。数值结果和讨论

5.1。数值结果

气体渗氮过程的研究是利用部分中描述的模型模拟3。灰口铸铁的氮浓度计算是描绘在图5。可以看出,随着氮化温度的增加,扩散层的厚度增加。明确表示,实验和计算厚度值表中列出3并给出了计算错误。需要指出的是,测试厚度扩散区是由消除复合层和硬化层深度进行测试。厚度计算值与实验数据吻合较好,与绝对最大误差值为6.8%,证明了数值模拟的准确性和可行性。

对计算误差的存在,这可以归因于以下原因。首先,在计算过程中,没有考虑界面运动的影响,这是一个当前模型的缺点。其次,氮的关键价值潜力,这是直接从主持人图获得的纯铁,对灰口铸铁可能并不准确。此外,分析了灰口铸铁的石墨主要分布也可能有一些不确定对氮化潜在价值的影响。然而,数值模拟的准确性被认为是可以接受的,这是一个保证下面的渗氮工艺参数的影响分析。

5.2。氮化温度对氮化的阈值的影响潜力

渗氮温度是一个至关重要的过程参数,极大地影响了气体渗氮过程。在这项研究中,采用氮潜力的阈值,而不是传统的临界值,这是一个显著优势的模型相比,现有的(5- - - - - -7]。阈值和温度之间的关系图6。随着温度增加,阈值显著降低。在这种情况下,形成复合层所需的时间减少渗氮温度更高。

5.3。渗氮势的影响

氮氮潜力,它代表了活动在工件表面,用于控制化合物层的厚度和阶段。为了研究氮势的影响,进行了数值模拟对不同氮化潜力值,也就是说,0.32,0.75,1.5,3.5自动取款机^−1/2。图7介绍了计算氮浓度剖面不同渗氮势。它可以观察到氮势没有对渗碳层深度的影响。然而,工件表面上的氮浓度的差异,这些展品的最高价值渗氮3.5 atm的潜力^−1/2。直接分析结果表明,氮化潜在的复合层的相组成有很大的影响,因为它强烈影响表面的氮浓度。

5.4。氮化时间的影响

探讨氮化时间的影响深度,进行了数值计算与不同的渗氮时间7日,11日,24岁和40个小时。图8显示了不同氮化的氮浓度剖面计算时间。因为氮化潜在的阈值在7和11个小时的渗氮时间高于目前氮化潜力,没有表面化合物层形成。当氮化时间是24和40个小时,形成复合层和氮浓度在工件表面转化为相同的值。同时,渗碳层深度增加随着氮化时间的增加从24到40个小时。

6。结论

基于气体渗氮的实验和数值模拟,可以得出以下结论。(1)数值模拟,考虑氮化潜力的阈值的影响,能准确预测扩散区和氮浓度剖面的厚度。(2)氮化温度和时间的增加,渗碳层深度的厚度增加到一定程度,而表面的氮浓度降低渗氮温度增加。(3)分析了灰口铸铁,渗氮势对渗碳层深度的厚度影响不大但有一个相对很大的影响工件表面的氮浓度和氮化层的组成。拟议的渗氮层数值模拟预测和分析可以为实际工程参考应用。