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1、太原理工大学 硕士学位论文 2Cr13不锈钢表面改性层抗氧化性能与耐磨性能的研究 姓名：王峰 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：刘小萍 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 2Cr13 不锈钢表面改性层抗氧化性能与耐磨性能的研究 摘 要 2Cr13 不锈钢由于具备优良的耐腐蚀性能和机械性能而成为重要的结 构材料。但是由于该合金耐磨性差和抗高温氧化性能不足，从而限制了其 在高温环境下使用。由于陶瓷材料具有良好的高温稳定性、耐腐蚀、耐磨 损、硬度高等优良特点，在不锈钢表面制备陶瓷涂层能够有效的提高其抗 高温氧化能力，同时提高其耐磨损性能。 本文利用双层辉光等离子渗金属技术对 2Cr13 不锈钢进
2、行复合处理， 即 在离子渗锆处理之后进行后续氧化处理，通过优化工艺参数试验，得到典 型的渗锆合金层。用 OM、XRD、SEM、EDS 等分析改性层组织、成分及 其组成相，并对合金层高温氧化性能、摩擦磨损性能及其机制进行了研究。 试验结果表明： （1） 2Cr13 不锈钢经等离子优化工艺处理后在其表面获得的 渗锆改性层组织致密，与基体之间没有产生性能突变的界面，改性层与基 体之间为冶金结合，具有比较强的结合力； （2）2Cr13 不锈钢等离子渗锆合 金层主要含 ZrFe2化合物；经渗锆+氧化复合处理后，形成了以 ZrO2 为主 同时含有 Fe3O4 和 Cr2O3的混合氧化层； （3）2Cr13
3、 不锈钢渗锆处理后在 1000氧化 100 小时的质量增重仅为 1 mg/cm2，抗高温氧化能力得到明显 改善； （4）2Cr13 不锈钢离子渗锆和复合处理后表面硬度均高于 2000HK， 复合处理后的磨损量仅为基材的 10%，显著提高了不锈钢的耐磨性能。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 关键词：2Cr13 不锈钢，工艺参数，复合处理，高温氧化性能，磨损性能 太原理工大学硕士研究生学位论文 III HIGH-TEMPERATURE OXIDATION AND WEAR RESISTANCES OF Zr MODIFIED LAYERS FORMED ON 2Cr13 STAINLESS
4、STEEL ABSTRACT 2Cr13 stainless steel is one of the most important structural materials due to its advantages, such as good mechanical properties and corrosion resistance. However, its insufficient wear resistance and oxidation resistance become the major obstacles for its wide applications. Preparat
5、ion of ceramic coatings on stainless steel surfaces can effectively improve its oxidation resistance and wear resistance. This is because the ceramic materials have many excellent properties such as high temperature stability, good wear resistance and corrosion resistance, high hardness, etc. In the
6、 paper, a modified layer of ZrO2 was fabricated on the surface of 2Cr13 stainless steel by the complex treatment, ie, zirconium plasma alloying + oxidation. The effects of the alloying temperature on the microstructure and thickness of the Zr-alloyed layer were studied, and at the same time the oxid
7、ation behavior as well as tribological property was also analyzed in the 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV paper. The microstructure, composition and phase structure of the surface modified layers were analyzed by means of OM、XRD、SEM and EDS, respectively. The evaluation of wear behaviors and mechanism was studied
8、 through ball-on-disc dry rubbing under room temperature. The experimental results show that: (1) The better modified layers can be acquired under optimized technological parameters and the modified layer has strong combine force because of metallurgically bonding between the alloyed layer and 2Cr13
9、 substrate without spalling; (2) The Zr-alloyed layer formed on 2Cr13 stainless steel mainly consists of ZrFe2 and after the complex treatment, an oxide film which is composed of ZrO2, Fe3O4 and Cr2O3 are formed on the alloyed layer; (3) The complex treatment can greatly improve the oxidation resist
10、ance of 2Cr13 stainless steel and the weight gain of oxidation for 100h is only 1 mg/cm2; (4) Surface hardness of modified layer treated by both plasma Zr alloying and complex treatment is more than 2000HK and the wear volume after complex treatment is only 10% of untreated 2Cr13 stainless steel, ex
11、hibiting a significant improvement of wear resistance for 2Cr13 stainless steel. KEY WORDS: 2Cr13 stainless steel, processing parameter, complex treatment, wear resistance, oxidation resistance 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 文献综述 气候异常变化问题是目前人类关注的首要问题，是二十一世纪人类社会面临的最严 峻挑战之一。2009 年 12 月在哥本哈根举行的世界气候大会更是将这一问题推到了舆
12、论 的风口浪尖。我国也已经从科学和社会发展等多方面认识到了气候变化的巨大影响，并 且开始进行着积极的应对。我国于 2005 年通过了第一部可再生能源利用法 ，在该政 策的引导下，截至 2008 年底，我国风电发电量达 128 亿度，比上年增加 126.79%。我 国已成为全球最大的光伏产业基地，去年太阳能发电量达到 1.1GW，占全球太阳能发 电总量的27.5%。 此外， 我国还提出了到2010 年实现单位国内生产总值能源消耗比2005 年降低 20%左右、到 2010 年努力实现森林覆盖率达到 20%、2020 年可再生能源在能源 结构中的比例争取达到 16%等一系列目标。 用大型水力发电系
13、统取代传统的火力发电也 是重要的减少温室气体排放的手段，目前水力发电项目向建设高落差、大容量的方向发 展，与此相适应的水轮机组也向大型化方向发展，目前水轮机叶片等零部件多使用马氏 体不锈钢。在我国长江、黄河等多泥沙河流兴建的大型电站，以及特殊要求的电站机组 需要高强度、耐磨性的马氏体不锈钢来应对恶劣的使用条件。马氏体不锈钢也大量应用 于轴承、阀门、发动机叶片等高温部件，因此提高马氏体不锈钢的抗高温氧化性和耐磨 性能对提高设备零部件使用寿命具有重要的意义。 1.1 马氏体不锈钢简介 马氏体不锈钢是一类可以通过热处理（淬火回火）对其性能进行调整的不锈钢，是 一类可硬化的不锈钢。这种特殊的性能决定了
14、马氏体不锈钢必须具备两个基本条件：第 一，在平衡相图中必须有奥氏体相区存在；第二，要在合金表面形成耐腐蚀的钝化膜， 铬含量必须在 10.5%以上。根据钢中合金元素的差别，可将马氏体不锈钢区分为马氏体 铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢两大类型。马氏体铬不锈钢又可分为低碳、中碳和高碳三 种类型，马氏体铬镍不锈钢则可分为普通马氏体铬镍不锈钢、沉淀硬化不锈钢和马氏体 时效不锈钢1。 2Cr13 钢是高铬马氏体不锈钢的一种，具有高的强度和良好的机械性能，大量用于 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 塑性及承受冲击载荷要求较高的零件,如汽轮机叶片、大型轴流式压缩机叶片、紧固件、 阀体、轴泵套、耐蚀刃具、轴承等2
15、。但由于 2Cr13 钢含碳量较低，耐磨和耐蚀性较差， 必须要经表面强化后才能在一些耐磨和耐蚀性要求较高的场合使用3。目前，有很多表 面强化技术可以改善 2Cr13 不锈钢的摩擦磨损性能不足的问题， 在不锈钢表面制备涂层 或改性层能够有效延缓金属面板的氧化速率，同时提高其耐磨损性能4。由于陶瓷材料 具有良好的高温稳定性、耐腐蚀、耐磨损、硬度高等优良特点，因此成为金属热防护系 统表面涂层的极佳材料， 在金属热防护系统中使用陶瓷表面涂层成为热防护体系的研究 热点之一。 1.2 ZrO2的性质 二氧化锆（ZrO2）是一种耐高温、磨损与腐蚀的陶瓷材料，具有沸点高、熔点高、 硬度大、常温下绝缘、而高温下
16、导电等优良特质（表 1-1 为 ZrO2的主要物理性能）5。 随着电子和新材料工业的发展，ZrO2除大量应用于耐火材料和陶瓷颜料外，其在电子 陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷和薄膜科学等高科技领域的应用引起广大学者的关注，成为 当今研究开发的热门课题之一6。 表 1-1 ZrO2的主要物理性能参数 Table 1-1 Physic property of zirconia 材料 熔点 （） 密度 （g/cm3） 导热系数 (cal/cmsk) 热膨胀系数 (10-6-1) 弹性模量 (GPa) ZrO2 2700 5.19 0.0014 11.0 22.5-49.6 氧化锆具有三种晶型，如图 1-1 所示，由于阳离子直径大于阴离子直径，所以认为 该晶型由 zr4+构成面心立方点阵，O2-占据面心立方点阵所有四个四面体空隙的结构7。 氧化锆随着温度的变化可以出现三种不同的热力学稳定态18：单斜(Monoclinic)氧化锆 (m-ZrO2)、四方(Tetragonal)氧化锆(t- ZrO2)和立方(Cubic)氧化锆(c-ZrO2)
