毕业设计(论文)-室温电解渗硫工艺的研究与探索.doc
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1、 摘 要磨损是零件失效的重要原因之一。零件的磨损包括磨料磨损,疲劳磨损及粘着磨损等几种主要方式。往往在一个零件上会同时出现多种形式的磨损。但在某一特定摩擦副及特定工况下,某一种方式的磨损总要占据主要的地位。为了提高工件的耐磨性,通常可以采取提高工件表面硬度,改善工件表面应力状态或提高工件表面的减磨能力等措施,诸如对工件施加表面淬火、表面化学热处理及表面强韧化处理等。通过研究发现,渗硫可使工件获得较佳的工作状态,提高其抗摩擦,抗磨损性能。室温电解渗硫技术是在以往技术基础上加以改进研究后提出的一种渗硫新工艺,它有效克服了以往工艺的某些缺点,增强了其可操作性,对实现渗硫技术低成本、高性能研究,具有重
2、大的意义。本课题以45#钢为研究对象,通过对不同参数条件下渗硫层组织形貌、厚度的研究,确定其优化工艺。通过对比分析,室温电解渗硫达到最佳渗硫层的工艺参数为:电压4.5V,渗硫时间15min,两电极间距离14cm。关键词:45#钢;电解渗硫;室温;渗硫层;金相组织IVAbstractThe attrition is one of the most important reasons for the Components expiration.The Components attrition includes several major ways ,such as abrasive wear, f
3、atigue wear and adhesive wear and so on. Generally,several kinds of attritions will appear on a components at the same time , but in one rubs vice and under a specific operating mode, a way of attrition will always occupy the main position.In order to improve the wear resistance of the work piece,we
4、 usually take the following measure such as improving the surface hardness, improving surface stress condition of the work piece and enhancing the surface wear-resisting ability of the work piece, in addition, we can exert the surface hardening on the work piece , surface treatment and surface chemi
5、stry 、strengthening and toughening and so on .The research shows that sulfide can get a better piece of work status, increase their resistance to friction and attrition.The Room temperature electrolysis sulphurization technology is a new process sulfide which is improved based on the past technology
6、.It has overcome some shortcomings of the past technique effectively, enhanced its maneuverability, and it has played a great significance on realizing the low-cost, high-performance research.In the issue, we choose 45 # steel as studying object, by researching the organization appearance and the th
7、ickness of the sulphurizing levels on a condition of different parameter, we can determine its optimized craft.Through contrastive analysis, the results show that, the parameters for the room temperature electrolysis sulfide layer to achieve the best process are: the voltage is 4.5v,the sulfide time
8、 is 15min, the distance between the two electrode is 14cm.Keywords:45 steel; electrolyte sulphurizing; Room temperature; Sulphurizing level; Microstructure目 录1 绪 论11.1 前言11.2 化学热处理21.3 渗硫技术的产生及其工艺特点31.3.1 渗硫技术的产生31.3.2 渗硫层及其工艺特点31.4 常用表面渗硫方法41.4.1 液体渗硫41.4.2 固体渗硫51.4.3 气体渗硫51.4.4 低温等离子渗硫71.5 渗硫技术的发展
9、现状与前景82 课题的提出102.1 理论基础102.1.1 固体润滑机理102.1.2 电解原理112.1.3 渗硫层减磨机理122.2 室温电解渗硫122.3 课题的提出及其研究意义133 实验内容与方法153.1 实验材料153.1.1 实验材料的选取153.1.2 热处理工艺163.2 实验方法173.2.1 试样的除油、除锈处理173.2.2 渗硫173.3 金相试样的制备183.3.1 镶块183.3.2 试样的预磨193.3.3 抛光193.3.4 腐蚀、照相193.4 扫描电镜试样的制备203.5 耐腐蚀实验204 实验结果与分析214.1 渗硫层的表征214.2 FeS膜的耐
10、腐蚀性能224.3 工艺参数对渗硫层的影响234.3.1 电压对渗硫层的影响234.3.2 时间对渗硫层的影响264.3.3 两极间距离对渗层的影响294.4 基体状态对渗硫层的影响305 结论32致 谢33参考文献34附录A:35附录B:391 绪 论1.1 前言能源、信息、材料被认为是21世纪国民经济的三大支柱,其中材料是各行各业的基础,可以说,没有先进的材料,就没有先进的工业、农业和科学技术。目前,材料科学已经延伸到包括电子工程、生物工程、建筑工程、航空航天技术等学科在内的各主要研究领域。其中涌现出了各种各样的新材料,如结构与功能陶瓷,陶瓷基与金属基复合材料,金属间化合物与轻金属、表面改
11、性材料、薄膜材料及生物材料等,与几十年前相比,我们已进入了一个材料多样化的时代了。伴随人类的足迹,材料的发展经历了所谓的石器时代、青铜器时代和铁器时代,其对材料的运用也越发成熟,逐步由最先的农具向工业、航空、纳米材料发展。但在人类生活当中,使用最多的仍是金属材料。目前,金属材料的发展已逐步从纯金属、纯合金中摆脱出来。伴随材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步,传统的金属材料得到了迅速发展,新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、
12、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料,已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用,并产生了巨大的经济效益。随着经济的增长,对材料性能的要求日益苛刻,特别是在新材料、新工艺的研究当中,这对于当前钢铁处理技术是一个很大的挑战。众所周知,磨损一直是困扰材料使用寿命与性能的难题,针对这一问题,不少研究者在表面改性技术这方面有所突破。目前的热处理技术表面改性技术被归纳成所谓“高性能复合化”的概念,也就是说,过去通过对零件进行渗碳淬火、渗氮、高频淬火等硬化处理来提高其强度和耐摩擦,耐磨损性能。可是,根据零件的高性能要求,今后将采用各种硬化处理来提高它的强度,采用形式诸如覆膜、镀膜、渗硫覆膜、M
13、oS2覆膜、磷酸盐覆膜等各种润滑膜的方法来提高其耐摩擦,磨损性能1。硫化工艺应用于工业生产已有几十年的历史,其在耐摩擦,耐磨损方面具有较为明显的优势。渗硫后材料的摩擦系数和磨损量均有一定减低。在摩擦副双方均有渗硫层时,用30号机油润滑,使灰铸铁的摩擦系数降至青铜的67%,球铁是青铜的56%,45钢是铜合金的33%。同样,在中等载荷下(P=1.5MPa)渗硫45钢的耐磨性是铜合金的204倍,且45钢经过摩擦试验后,表面粗糙度明显改善。调质45钢渗硫后滚动摩擦系数减低了14%-42%。在粗糙度相同情况下,车削加工后渗硫比磨削加工后渗硫减磨效果好,硬度越高,摩擦系数越小。在低载荷下的微动摩擦性能,离
14、子渗硫层与磁控溅射MoS2涂层均具有良好的减磨性能。45钢渗硫件的抗咬合能力比未渗硫零件提高27倍,渗硫灰铁与渗硫45钢淬火件组成摩擦副的磨损率为铝青铜与45钢淬火件组成的摩擦副的1/15。渗硫已经应用在球轴承、轧机轴承、柱塞偶件、滑动轴承、切削刀具、模具、轧钢机轧辊、齿轮、青铜件等多方面。1.2 化学热处理表面热处理是对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组织和性能。广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷,又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件,如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类,其中化学热处理的应用引起了众多研究者的关
15、注。化学热处理是通过改变金属和合金工件表层的化学成分、组织和性能的金属热处理。化学热处理的工艺过程一般是:将工件置于含有特定介质的容器中,加热到适当温度后保温,使容器中的介质(渗剂)分解或电离,产生的能渗入元素的活性原子或离子,在保温过程中不断地被工件表面吸附,并向工件内部扩散渗入,以改变工件表层的化学成分。通常,在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时,心部仍保持良好的韧性,使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。根据渗入元素的不同 ,化学热处理可分为渗碳 、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。随着化学热处理理论和工艺的逐步完善,自二十世纪初开始,化学热处理已在工业中
16、得到广泛应用。随着机械制造和军事工业的迅速发展,对产品的各种性能指标也提出了越来越高的要求。除渗碳外,又研究和完善了渗氮、碳氮和氮碳共渗、渗铝、渗铬、渗硼、渗硫、硫氮和硫氮碳共渗,以及其他多元共渗工艺。 1.3 渗硫技术的产生及其工艺特点1.3.1 渗硫技术的产生 渗硫的发展是同现代润滑理论上一些新发现分不开的。根据这个理论:在高速切削时,摩擦生热特别厉害,为了延长刀的寿命,大家用富含冷却性的肥皂水来冷却,因为水的冷却能力两倍于油。等到进刀吃重时,切削速度相对降低,此时摩擦生热为次要问题,于是切削油以润滑为主,肥皂水宜含较多的油或者改用稀薄的切削油。如果切削情况进一步严重,则在铁屑与刃口中间产
17、生足够的压力,可以破坏稀油的薄膜,此时宜用富含粘附性的油脂或单独使用或与矿物油混合使用。如切削与刃口中间压力再增大,则油脂分子亦被破裂,铁屑会“焊”着刃口。于是设法使铁屑不“焊”着刃口就成为金属切削中的主要问题。后来有人试验在切削油中加入硫磺粉或硫化物,在压力极大,温度极高的情况下进行切削,结果硫磺在切削点上受到高热,发展它的活动能力,在铁屑底面形成一层高熔点极薄的膜;该膜不特使铁屑不焊着刃口,反而增加铁屑子与刃口间的滑动性,于是硫磺博得一个光荣的称号“脱焊剂”。也有人试用氯化物作为脱焊剂,但效果仍比不上硫磺。有了这一层极薄的膜作为起点,大家不断研究,如何把它从铁屑底面搬上金属表面,并且要由极
18、薄的膜变成扩散的深层。在这方面的发展,终于创造出许多成就,钢铁渗硫就是其中之一2。自从20 世纪60 年代Sulf .B. T 法在法国问世以来,钢铁渗硫技术就以极其良好的减摩、抗粘着性能引起国内外研究者的普遍关注,成为滑动零部件、合金钢工模具表面减摩、耐磨处理的重要手段。金属表面渗硫是一种新的化学热处理工艺,国外的研究以法国为最早,苏联于1953-1955年首先由明斯克汽车制造厂的工程技术人员们提出了完整的资料。他们指出:金属表面由于渗硫的结果, 得到了完全新的性质, 使摩擦时不会产生“咬合”现象, 即改善了零件的抗“咬合”能力, 降低了摩擦系数, 使能在不提高表面硬度的条件下增加耐磨性。因
19、此, 它为许多减摩材料及有色金属(如青铜)的代用开辟了广阔的前途3。1.3.2 渗硫层及其工艺特点 渗硫,英文名:sulphurization,也称“硫化”,泛指硫与铁元素结合,在零件表面形成一层厚度由几个到几十个微米的硫铁化合物(FeS和FeS2)。由于硫不固溶于a铁,且迄今尚未证实渗硫工件的FeS膜内侧有硫的扩散层存在,故亦有称此工艺为硫化者。渗硫技术属于化学处理、表面处理范畴。 经研究发现:硫化物层中的FeS为密排六方晶体结构,剪切强度低。在剪切应力作用下极易发生滑动,具有良好的自润滑性;硫化物层质地疏松、多维孔,有利于油脂的储藏,有利于油膜的形成与保持;硫化物层硬度低(90100HV)
20、,可软化摩擦副表面的微凸体,减缓硬金属表面微凸体对软金属表面的犁削作用;硫化物中的FeS具有极好的热稳定性,在大气环境下,600也不会发生氧化分解,可在高温工况下起到润滑作用;在受压和摩擦生热的条件下,FeS发生再生,沿着晶界向内扩散,使FeS层的润滑和防止粘着作用能够维持;零件表面形成硫化物层,其摩擦系数大幅度减少,摩擦产生的温升明显下降,可大大提高零件的使用寿命和稳定性。渗硫处理温度低于Ac1温度,故而被称为低温化学热处理。它具有如下特点: 在保持基体材料强韧性的基础上赋予其表面耐磨损、抗擦伤、抗咬合、抗疲劳、耐腐蚀与抗高温氧化等独特性能;处理温度低,基体材料无相变,工件的畸变小,可进行精
21、密化处理; 充分发挥了材料的潜力,节省贵重材料,能耗较低4。值得强调的是,由于渗硫层是通过Fe与S的置换生成的,因此该工艺不适用于有色金属。对于表面具有铬氧化合物薄膜的金属材料(如不锈钢等) ,则需先去除钝化膜。此外,由于钢铁渗硫后表面硬度不高,为充分发挥渗硫层的作用,一般应在淬火、渗氮、高频淬火等表面强化处理后再进行渗硫。1.4 常用表面渗硫方法目前,材料的表面渗硫方法主要有4种,分别是:液体渗硫、固体渗硫、气体渗硫、低温等离子渗硫等5。1.4.1 液体渗硫电解渗硫是目前应用较多的渗硫方法,法国的低温盐浴电解法(即Sulf BT法) 及其改进后的各种方法已被法、英、德、美、意、日等国广泛采用
22、。一般摩擦系数是未处理试样的30%50% ,也有报导20号钢在室温电解渗硫时摩擦系数约为非渗硫10%20% 。中温渗硫是以硫酸钠作为含硫源,外加一些化学腐蚀剂,处理温度为550左右,保温时间取决于渗层的深度;低温渗硫常以(NH2)2CS 为主要试剂,辅助试剂有 KSCN (NH2) 2CO 等物质,处理温度低于200,由于温度低,所需时间较长。渗硫层易产生FeSO3 ,导致工件表面锈蚀,产生氰盐试剂有毒,介质易老化,造成环境污染,且工件的后道处理很麻烦,难以较好解决。总之,液体渗硫由于盐浴存在污染严重、易老化变质、成分和活性难以控制等问题,处理后工件的质量尚不够稳定。近年来在改进渗硫盐浴成分,
23、减少环境污染方面已有较大的进展,有的盐浴成分基本无毒性,为盐浴渗硫的广泛应用创造了有利条件。1.4.2 固体渗硫又称粉末渗硫,一般以FeS 粉为供硫剂,与适量的催化剂防粘接剂等制成50100 目的细粉状混合物,在500900高温炉中向工件表面渗硫,工艺类似于固体渗碳,加热温度和保温时间随工件材料不同而选择。其优点是简便易行,投资少,成本低,通用性好。缺点是劳动条件差,温度高,工艺时间长,质量不稳定,目前在生产上已应用不多。1.4.3 气体渗硫即离子渗硫,是将含硫气体(如H2S,CS2 等)通入密闭炉中,加热使之分解出活性原子(离子)进行工件表面渗硫。离子渗硫是一个广义的工艺概念。实际应用中,它
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