低碳合金鋼復合真空滲碳及其強化新技術

本書以真空滲碳技術為核心，對三種齒輪常用鋼材分別從稀土前處理催滲強化、表面納米化催滲強化、表面納米化與稀土復合催滲強化以及滲碳后噴丸強化、超聲深滾以及離子注入等基于真空滲碳熱處理開發出的一些列復合強化方法與強化層的微觀物理、化學特性，宏觀服役性能進行了詳細而深入的研究，為低碳鋼真空滲碳熱處理強化的不同應用需求提供科學的研究數據支持。

滲碳熱處理是一門具有悠久歷史的表面強化技術，是在低碳鋼及低碳合金鋼表面獲得高硬度與優良抗疲勞性能的同時使心部具有一定強度和韌性的重要方法。相對于其他表面強化技術，滲碳熱處理具有工藝簡單、滲層均勻、性能可靠、工藝可重復性強、性價比高和應用范圍廣等特點。隨著航空航天、海洋運輸及裝備制造業的高速發展，齒輪、軸承等承載及傳動部件對服役性能、使用壽命及可靠性的要求逐步提高，真空滲碳及其復合強化技術已成為承載及傳動部件滲碳熱處理領域技術發展的新趨勢。真空滲碳與復合強化技術之間的工藝協調契合性和優勢增益，強化層微觀組織結構與宏觀服役性能的內在聯系和影響機制，都是表面工程技術領域中具有挑戰的研究方向。
本書以真空滲碳熱處理為基礎，對筆者近年來在真空滲碳及其復合強化領域的研究成果進行總結和概括，主要內容包括：滲碳熱處理技術發展與應用簡介，真空滲碳熱處理設備與工藝研究，前處理輔助催滲真空滲碳和真空滲碳后處理及多工藝復合強化的研究；以工程應用為背景，測試、分析和評價了低碳合金鋼真空滲碳與復合強化層摩擦磨損性能、疲勞強度和可靠性。
本書可為熱處理行業的從業者、材料科學與工程專業研究生以及有志于從事這一行業的青年學者提供借鑒和參考。通過本書的閱讀和學習，讀者可以對滲碳熱處理技術基礎及該領域研究熱點與發展現狀有較為詳細的了解。
本書由哈爾濱工程大學金國、崔秀芳、劉金娜和齊齊哈爾大學董美伶共同編著。其中金國編寫第1章和第2章，崔秀芳編寫第3章，董美伶編寫第4章和第6章，劉金娜編寫第5章。
本書內容涉及的知識面比較廣泛，由于編者水平有限，書中難免存在疏漏、不足之處，懇請廣大讀者給予批評和指正。

著者
2023年5月

《低碳合金鋼復合真空滲碳及其強化新技術》系統介紹了與真空滲碳熱處理及其復合強化新技術有關的基礎知識，主要內容包括：真空滲碳熱處理原理、設備與工藝，真空滲碳的技術特點及應用，前處理催滲與后處理強化工藝的設計，強化層宏觀性能與真空滲碳及其強化工藝以及微觀組織結構變化之間的關系，模擬真實服役條件的強化層摩擦磨損性能、疲勞性能的測試與分析，復合強化滲碳層疲勞及磨損可靠性評價等。
本書可供從事熱處理研究、生產及技術開發的從業者和科研人員使用，也可作為材料科學與工程專業研究生的參考書。

第1章滲碳熱處理概述1
1.1滲碳熱處理技術原理與分類1
1.1.1滲碳熱處理技術原理1
1.1.2滲碳熱處理技術分類2
1.2真空滲碳熱處理技術特點與應用5
1.2.1真空滲碳熱處理技術特點5
1.2.2真空滲碳熱處理技術應用7
1.3復合強化滲碳技術特點與研究進展9
1.3.1前處理催滲技術9
1.3.2后處理復合強化技術15
參考文獻21

第2章真空滲碳設備與工藝研究27
2.1真空滲碳熱處理設備27
2.2真空滲碳熱處理工藝28
2.2.1真空滲碳工藝28
2.2.2滲碳前后熱處理工藝28
2.3真空滲碳工藝對合金鋼滲碳層的影響29
2.3.1真空滲碳工藝對12Cr2Ni4A鋼滲碳層的影響30
2.3.2真空滲碳工藝對18Cr2Ni4WA鋼滲碳層的影響37
2.3.3真空滲碳工藝對17CrNiMo6鋼滲碳層的影響42
參考文獻46

第3章前處理輔助催滲真空滲碳48
3.1離子注入稀土元素前處理技術48
3.1.112Cr2Ni4A鋼離子注入稀土元素與工藝48
3.1.212Cr2Ni4A鋼離子注入稀土滲層的組織與結構51
3.1.3離子注入稀土元素對12Cr2Ni4A鋼滲碳層性能的影響59
3.1.418Cr2Ni4WA鋼離子注入稀土滲層組織與性能61
3.1.5稀土元素注入對真空滲碳過程的催滲與強化機制70
3.2表面納米化前處理技術75
3.2.112Cr2Ni4A鋼表面納米化前處理工藝76
3.2.2表面納米化對18Cr2Ni4WA鋼組織結構、力學性能及摩擦學性能的影響92
3.2.3表面納米化前處理對真空滲碳過程的催滲與強化機制105
參考文獻116

第4章表面納米化與稀土復合處理增強真空滲碳過程119
4.1表面納米化與稀土注入復合前處理119
4.1.1復合前處理工藝參數的選定119
4.1.218Cr2Ni4WA鋼復合前處理改性層組織結構與力學性能120
4.2表面納米化轟擊同步引入稀土128
4.2.1稀土種類設計及表面納米化轟擊工藝129
4.2.217CrNiMo6鋼表面納米化引入稀土層組織結構與性能129
4.2.3表面納米化引入稀土對17CrNiMo6鋼滲碳層組織結構的影響132
4.2.4表面納米化引入稀土對17CrNiMo6鋼滲碳層力學性能的影響135
4.2.5表面納米化引入稀土對17CrNiMo6鋼滲碳過程的影響136
4.2.6表面納米化引入稀土對17CrNiMo6鋼滲碳層摩擦學性能的影響137
4.2.7表面納米化引入稀土對17CrNiMo6鋼滲碳層耐腐蝕性能的影響139
參考文獻140

第5章真空滲碳后處理及多工藝復合技術142
5.1機械噴丸后處理142
5.1.1機械噴丸對20Cr2Ni4A鋼滲碳層組織性能的影響142
5.1.2機械噴丸對12Cr2Ni4A鋼滲碳層組織性能的影響156
5.1.3表面納米化催滲與機械噴丸后處理18Cr2Ni4WA鋼真空滲碳層疲勞性能166
5.2超聲深滾后處理180
5.2.1超聲深滾17CrNiMo6鋼真空滲碳層表面形貌與組織結構180
5.2.2超聲深滾17CrNiMo6鋼真空滲碳層力學性能185
5.2.3超聲深滾17CrNiMo6鋼真空滲碳層摩擦學性能187
5.2.4超聲深滾17CrNiMo6鋼真空滲碳層耐腐蝕性能189
5.3復合前處理/離子滲氮后處理191
5.3.117CrNiMo6鋼離子滲氮工藝參數的選定191
5.3.217CrNiMo6鋼碳氮復合滲層組織結構192
5.3.317CrNiMo6鋼碳氮復合滲層力學性能195
5.3.417CrNiMo6鋼碳氮復合滲層摩擦學性能197
5.3.517CrNiMo6鋼碳氮復合滲層耐腐蝕性能198
5.4稀土注入催滲/離子注入后處理200
5.4.1Ti/Zr-N雙離子注入12Cr2Ni4A鋼滲碳層表面的組織結構201
5.4.2Ti/Zr-N雙離子注入12Cr2Ni4A鋼滲碳層力學及摩擦學性能208
5.4.3Ti/Zr-N雙離子注入12Cr2Ni4A鋼滲碳層耐腐蝕性能210
5.4.4Ti/Zr-N雙離子注入12Cr2Ni4A鋼滲碳層接觸疲勞性能213
5.5復合前處理/離子注入后處理216
5.5.1Ti/Zr/Cr-N雙離子注入18Cr2Ni4WA鋼滲碳層微觀組織結構216
5.5.2Ti/Zr/Cr-N雙離子注入18Cr2Ni4WA鋼滲碳層納米力學性能220
5.5.3Cr/Zr/Ti-N雙離子注入18Cr2Ni4WA鋼滲碳層摩擦學性能221
5.5.4Ti/Zr/Cr-N雙離子注入18Cr2Ni4WA鋼滲碳層耐腐蝕性能226
參考文獻229

第6章真空滲碳層及其復合強化層的疲勞可靠性評估231
6.1基于模擬計算的可靠性評估方法231
6.1.1改進響應面法231
6.1.2疲勞可靠度計算234
6.1.3磨損可靠度計算239
6.2基于試驗數據的可靠性評估計算243
6.2.1符合威布爾分布的疲勞可靠性評估方法243
6.2.2基于正態分布的磨損可靠性評估方法252
6.318Cr2Ni4WA鋼復合強化件可靠性評估254
6.3.1接觸疲勞試驗及數據分析254
6.3.2彎曲疲勞試驗及數據分析256
6.3.3摩擦磨損試驗及數據分析262
6.4可靠性評估系統設計264
6.4.1界面設計的原則和步驟264
6.4.2系統的主要模塊設計265
參考文獻 267