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提高材料耐磨和耐腐蚀性能,延长其使用寿命,减少昂贵稀有合金元素的消耗,是当今材料工作者的重要任务。通过表面工程技术,提高材料的服役能力,是当今研究的重点领域。 本课题首次采用脉冲单电源,结合离子溅射、空心阴极效应和尖端放电技术,在碳钢表面进行等离子渗Ti,形成表面渗Ti层;其后部分进行等离子渗氮处理。以期达到表面渗Ti耐腐蚀和渗Ti+氮化耐磨的高性能结构材料。 研究在Q195普通低碳钢表面进行脉冲单电源辉光等离子渗Ti的工艺,研究工艺参数对渗 Ti层的组织组成、相组成、微细结构、渗层形貌、渗层成分和分布、表面硬度及其分布的影响;渗 Ti后温度对离子氮化的组织组成、相组成、渗层形貌、表面硬度及其分布的影响;渗Ti及渗Ti+离子氮化试样在耐酸、碱、盐中的耐腐蚀试验;渗Ti及渗Ti+离子氮化耐腐蚀机理分析及探讨;渗Ti+离子氮化工艺的耐磨损性能试验;渗Ti+离子氮化工艺的耐磨损机理探讨和分析。研究结果表明: 1.脉冲单电源辉光等离子渗Ti,在本工艺条件下能够获得200μm以上的渗层,表面含 Ti量为4~5％;其组织形貌为渗层与基体之间形成一条明显的反应扩散分界线,说明渗金属过程中出现新相;分界线两边均出现较为明显的延续柱状晶组织,说明渗层与基体之间存在着一定得位相关系,渗层依附于基体某些晶面向内生长; 2.随着电压的升高,渗层厚度增加,渗层Ti含量升高。电压增加到某一最佳值后,渗层厚度达到最大,渗层Ti含量达到最高。而后随着电压的继续升高,渗层厚度下降。存在极大值规律; 3.随着气压升高表面含Ti量升高,但是增加至30Pa以后,表面含Ti量降低; 4.本研究的最佳工艺参数为:电压为550V,温度为1100℃,气压为30Pa,时间为3h; 5.各个工艺参数下渗Ti层物相组成,主要为Fe-Ti、Fe2Ti、TiC; 6.各种工艺条件下渗 Ti,显微硬度由表向里呈梯度分布,表面硬度最高可达600HV0.1左右,平均仅有300HV0.1左右,较未处理碳钢提高3~6倍; 7.随温度的升高,氮化层厚度增加,硬度分布变得平缓,离子氮化渗层物相组成由Ti2N、TiN及Fe-Ti逐步转变为TiN、Ti2N、Fe-Ti、Fe4N相;渗层和基体中析出物逐步出现,渗层中的条状氮化物析出明显增多,基体中氮化物并呈粗大条状沿晶界析出; 8.渗Ti及含TiN试样在3.5%的NaCl腐蚀液中耐腐蚀性能较未处理试样有一定程度提高,含TiN试样耐腐蚀性能比渗Ti试样提高1.44倍,比未处理试样提高2.52倍; 9.在1mol/L的H2SO4腐蚀液中,渗Ti及含TiN试样钝化能力明显提高,两者的钝化电位区间均较未处理试样有显著扩大;渗Ti及含TiN试样的耐腐蚀性能较未处理试样有较大提高,含TiN试样比渗Ti试样提高1.342倍,比未处理试样提高15.835倍;渗Ti试样比未处理试样提高11.8倍;未处理试样表现为面腐蚀,渗Ti试样为点腐蚀,表面Ti的含量是影响其腐蚀性能主要原因,含TiN试样能形成致密的钝化膜,阻止了腐蚀液的进入;渗Ti耐腐蚀性能较未处理试样提高12.15倍,较18-8不锈钢提高1.42倍;渗Ti+离子氮化耐腐蚀性能较未处理试样提高7.444倍,与18-8不锈钢耐腐蚀性能相当; 10.在1mol/L的 HNO3腐蚀液中,渗Ti、渗Ti+离子氮化试样致钝电位较未处理试样明显降低,其钝化电位区间分别比未处理试样提高3.17倍、2.96倍;渗Ti、Ti+离子氮化试样耐腐蚀性分别比未处理试样提高7.44倍、4.54倍;渗Ti试样腐蚀机制为轻微面腐蚀,渗Ti为基体提供了较强的保护能力;渗Ti+离子氮化试样腐蚀机理表现为典型的晶界腐蚀,未处理试样腐蚀后表面形貌表现为较大的腐蚀坑且凸凹和起伏较明显,是典型的孔蚀,表面腐蚀相当严重;渗Ti及渗Ti+离子氮化试样虽然自腐蚀电位低于18-8不锈钢,并且18-8不锈钢未出现钝化现象,但自腐蚀电流密度明显大于18-8不锈钢。综合其结果,18-8不锈钢的耐腐蚀性优于渗Ti试样和渗Ti+离子氮化试样; 11.在1mol/L的HCl腐蚀液中,渗Ti试样耐腐蚀性能较未处理试样提高2.322倍,渗Ti+离子氮化较未处理试样提高9.493倍;未处理试样、渗Ti及渗Ti+离子氮化腐蚀机理均表现为均匀的面腐蚀; 12.离子氮化温度升高,表面硬度提高,硬度分布趋于平缓;相对磨损试验结果为:渗Ti+500℃、550℃、600℃离子氮化耐磨损性能较未处理试样分别提高3.77倍、4.33倍及6.5倍,较T10钢淬火+回火试样分别提高2.57倍、3倍、4.5倍。随着氮化温度的升高,从基体析出的TiN及Fe4N的晶核逐步长大,共格关系造成的畸变程度增大,硬度和耐磨性也提高。