个性化实验结题报告

西南交通大学第七期个性化实验项目结题报告试验项目：催渗剂对低温气体多元共渗的组织及性能影响

学生姓名：陈凤林学号20102291

廖琪学号20102314 学院：材料科学与工程学院

专业：材料成型及其控制工程

指导教师：高国庆

二零一三年六月

一、试验概况

低温时采用气体多元共渗的方法处理钢材将可以得到好的耐磨耐蚀效果的钢材，而其耐磨耐蚀的主要原因是：渗入原子以间隙及金属间化合物的形式与基体组织有机结合形成相应稳定而致密的组织结构，达到表面强化的目的。低温气体多元共渗技术，能在比渗碳及碳氮共渗温度低的前提下，提高零件性能，硬度高，耐磨性好，耐腐蚀性能好，抗高温（≤650℃）氧化性好，自润滑(在300℃左右仍有很好的自润滑效果)效果好。经强化处理后零件变形减少，既节能又环保。

本试验研究了N-C-O共渗工艺中不同添加剂（催渗剂）加入方式及用量对Q235钢组性能和组织的影响。

二、试验材料及设备

1．试验材料：

氨气、铜管、Q235钢试样（片钢）、催渗剂等。

2．试验设备：

气体多元共渗计算机控制系统、西南交通大学自制井式气体多元共渗炉、OLYMPUS光学显微镜、试样切割机、电化学工作站、盐雾腐蚀箱、电烙铁等。

三、试验准备

1. 资料收集

在实验正式展开之前，指导老师给我们讲解了有关低温气体多元共渗的相关知识，我们再次基础上充分利用网络与图书馆搜集相关书籍与文献，获取低温气体多元共渗的相关论文，学习相关理论知识，增强对本次个性化实验中有关专业知识的了解。

2. 设备操作

在试验指导老师及研究生学长的指导下，掌握实验相关仪器设备的构造、原理和使用方法，包括有显微维式硬度计、试样切割机、光学金相显微镜、电化学工作站及盐雾腐蚀箱等，并且学习相关实验软件的应用，如Origin 7.5、Photoshop 等。

四、试验过程

1）用不同型号砂纸磨去样品表面的氧化层；

2）用铁丝把工件系在铁架上，放入共渗炉中；

3）先将共渗炉预热，通入氨气并加入添加剂，同时利用计算机控制系统控制气流量；

4）在650℃×1.5h条件下进行N-C-O共渗，工艺参数见表1，N-C-O共渗的时候添加剂以液体滴注或气体形式注入共渗炉中，并用计算机控制其注入速度和用量；

5）完成后取出样品，利用铜管夹持镶样，砂轮打磨；

6）分别用粗细两种砂纸磨金相，在OLYMPUS金相显微镜下观察组织形貌，测定出渗层厚度，指出材料各部分的组织特征；

7) 用XRD测试样品表面的组分；

8）用维氏显微硬度计测定试样的表面硬度梯度；

9）根据GB /T 10125－1997标准对不同预处理工艺的Q235钢样品进行中性盐雾腐蚀试验；

10）利用电化学工作站测定渗层电化学性质。

表1 N-C-O共渗工艺渗层厚度

五、试验结果及分析

1. 金相组织分析

用OLYMPUS金相显微镜分析，Q235钢在经650℃×1.5h添加剂入炉方式不同的N-C-O多元共渗后的金相组织见图1-3，并测量了添加剂加入方式不同时N-C-O共渗工艺处理后总渗层厚度及化合物层厚度见表2。

表2 N-C-O共渗工艺处理后渗层厚度

图1 试样1金相组织

图2 试样2金相组织

图3 试样3金相组织

由图1-3可见：渗层最外表层为（白色基体+灰色小颗粒状氧化）+少量疏松层，次表层为化合物层为白色柱状晶组织，过渡区为白色块状固溶体组织，心部为珠光体与铁素体。由图1可知：最表层灰色小颗粒状氧化量最少，图2最表层灰色小颗粒状氧化量最多。

由表2可见：添加剂以液体滴注入炉时量不同，获得总渗层厚度及化合物层厚度不同，当滴量增加，总渗层厚度较浅，白亮层厚度稍有增加；且表面白色基体量少+灰色小颗粒状氧化大大增加疏松也有所增加见图2。添加剂以气体形式

入炉时，总渗层厚度比大滴量添加剂时略有升高，但仍低于小滴量添加剂的试样，而白亮层厚度显著增加。

2. 显微硬度分析

用维氏显微硬度计测量试样显微硬度梯度，测得试样1-3的显微硬度分布曲线见图4。

由图4可见，Q235钢 经N-C-O 共渗热处理后可使材料表面的硬度显著提高。Q235钢基体硬度约为180-200HV 0.05，而N-C-O 共渗热处理后渗层硬度高达550-600HV 0.05，为基体材料硬度的3倍左右。其中添加剂以液体滴注入炉时，小滴量的显微硬度值最高，可达600HV 0.05左右，添加剂以液体滴入炉内时大滴量加入时，显微硬度峰值有所降低，为565HV 0.05左右，而当添加剂以气体入炉时，显微硬度峰值最低，为560HV 0.05左右。三种状态处理后试样的显微硬度最高值均在次表层，即在白色柱状晶组织，而且显微硬度曲线均出现“低头”现象(见图4)。

3. XRD 分析

用X 射线仪对Q235钢在650℃×1.5h 条件下经N-C-O 共渗热处理后的试样进行分析，测试发现：添加剂以液体（小滴量、大滴量）和气体形式入炉时，渗层XRD 结果均相同，见图5。

H V 0.05

据表面距离/ m

图4 试样1-3显微硬度曲线（HV0.05）

C o u n t s

Position [°2 ]

图5 Q235钢气体N-C-O 共渗后表面X 射线衍射谱

由图5分析表明：Q235钢在经加入添加剂650℃×1.5h N-C-O 共渗热处理后，表面化学成分主要为Fe 3O 4、 Fe 2O 3和Fe 3N 。

由图1-5可知：显微硬度曲线的“低头”现象，可能是由于Q235钢添加剂以液体滴注（小滴量、大滴量）和气体入炉时经N-C-O 共渗热处理后，最外表面的金相组织均为：白色基体+灰色小颗粒状氧化层+少量疏松，该层因添加剂入炉形式及量不同时，经N-C-O 共渗热处理后最外表面渗层深度也有所不同，厚度约为0-40μm 左右，用X 射线分析该层有Fe 2O 3、 Fe 3O 4，说明最表面灰色小颗粒状氧化层可能是Fe 2O 3、 Fe 3O 4，因此造成了表面的显微硬度偏低，产生“低头”现象。次表层白色柱状晶可能是Fe 3N ，所以显微硬度最高。

4. 渗层腐蚀试验

按照GB/T10125－1997标准，对Q235钢650℃×1.5h 经N-C-O 共渗热处理后的试样进行中性盐雾腐蚀试验。中性盐雾腐蚀试验结果表明：添加剂以液体滴注（小滴量、大滴量）和气体入炉时，试样耐中性盐雾腐蚀后保护级分别为：8级/168h 、8级/144h 和8级/240h ，而Q235钢未经N-C-O 多元共渗的中性盐雾腐蚀后保护级为8级/6h 。由此可见三种状态的试样耐蚀效果比原材分别提高28倍、24倍和40倍。气体添加剂的试样耐蚀效果最好，远优于添加剂液体滴注入炉的耐蚀效果。

由于中性盐雾腐蚀试验腐蚀时间过长，为快速判断试样的耐蚀性，添加剂入炉方式不同进行 N-C-O 共渗后的耐蚀效果，用电化学工作站测试了3种工艺状态下试样的耐蚀性，同时也对未处理的Q235钢原材料进行了极化曲线测试，测得的极化曲线见图6。