低碳合金钢复合真空渗碳及其强化新技术

本书以真空渗碳技术为核心，对三种齿轮常用钢材分别从稀土前处理催渗强化、表面纳米化催渗强化、表面纳米化与稀土复合催渗强化以及渗碳后喷丸强化、超声深滚以及离子注入等基于真空渗碳热处理开发出的一些列复合强化方法与强化层的微观物理、化学特性，宏观服役性能进行了详细而深入的研究，为低碳钢真空渗碳热处理强化的不同应用需求提供科学的研究数据支持。

渗碳热处理是一门具有悠久历史的表面强化技术，是在低碳钢及低碳合金钢表面获得高硬度与优良抗疲劳性能的同时使心部具有一定强度和韧性的重要方法。相对于其他表面强化技术，渗碳热处理具有工艺简单、渗层均匀、性能可靠、工艺可重复性强、性价比高和应用范围广等特点。随着航空航天、海洋运输及装备制造业的高速发展，齿轮、轴承等承载及传动部件对服役性能、使用寿命及可靠性的要求逐步提高，真空渗碳及其复合强化技术已成为承载及传动部件渗碳热处理领域技术发展的新趋势。真空渗碳与复合强化技术之间的工艺协调契合性和优势增益，强化层微观组织结构与宏观服役性能的内在联系和影响机制，都是表面工程技术领域中具有挑战的研究方向。
本书以真空渗碳热处理为基础，对笔者近年来在真空渗碳及其复合强化领域的研究成果进行总结和概括，主要内容包括：渗碳热处理技术发展与应用简介，真空渗碳热处理设备与工艺研究，前处理辅助催渗真空渗碳和真空渗碳后处理及多工艺复合强化的研究；以工程应用为背景，测试、分析和评价了低碳合金钢真空渗碳与复合强化层摩擦磨损性能、疲劳强度和可靠性。
本书可为热处理行业的从业者、材料科学与工程专业研究生以及有志于从事这一行业的青年学者提供借鉴和参考。通过本书的阅读和学习，读者可以对渗碳热处理技术基础及该领域研究热点与发展现状有较为详细的了解。
本书由哈尔滨工程大学金国、崔秀芳、刘金娜和齐齐哈尔大学董美伶共同编著。其中金国编写第1章和第2章，崔秀芳编写第3章，董美伶编写第4章和第6章，刘金娜编写第5章。
本书内容涉及的知识面比较广泛，由于编者水平有限，书中难免存在疏漏、不足之处，恳请广大读者给予批评和指正。

著者
2023年5月

《低碳合金钢复合真空渗碳及其强化新技术》系统介绍了与真空渗碳热处理及其复合强化新技术有关的基础知识，主要内容包括：真空渗碳热处理原理、设备与工艺，真空渗碳的技术特点及应用，前处理催渗与后处理强化工艺的设计，强化层宏观性能与真空渗碳及其强化工艺以及微观组织结构变化之间的关系，模拟真实服役条件的强化层摩擦磨损性能、疲劳性能的测试与分析，复合强化渗碳层疲劳及磨损可靠性评价等。
本书可供从事热处理研究、生产及技术开发的从业者和科研人员使用，也可作为材料科学与工程专业研究生的参考书。

第1章渗碳热处理概述1
1.1渗碳热处理技术原理与分类1
1.1.1渗碳热处理技术原理1
1.1.2渗碳热处理技术分类2
1.2真空渗碳热处理技术特点与应用5
1.2.1真空渗碳热处理技术特点5
1.2.2真空渗碳热处理技术应用7
1.3复合强化渗碳技术特点与研究进展9
1.3.1前处理催渗技术9
1.3.2后处理复合强化技术15
参考文献21

第2章真空渗碳设备与工艺研究27
2.1真空渗碳热处理设备27
2.2真空渗碳热处理工艺28
2.2.1真空渗碳工艺28
2.2.2渗碳前后热处理工艺28
2.3真空渗碳工艺对合金钢渗碳层的影响29
2.3.1真空渗碳工艺对12Cr2Ni4A钢渗碳层的影响30
2.3.2真空渗碳工艺对18Cr2Ni4WA钢渗碳层的影响37
2.3.3真空渗碳工艺对17CrNiMo6钢渗碳层的影响42
参考文献46

第3章前处理辅助催渗真空渗碳48
3.1离子注入稀土元素前处理技术48
3.1.112Cr2Ni4A钢离子注入稀土元素与工艺48
3.1.212Cr2Ni4A钢离子注入稀土渗层的组织与结构51
3.1.3离子注入稀土元素对12Cr2Ni4A钢渗碳层性能的影响59
3.1.418Cr2Ni4WA钢离子注入稀土渗层组织与性能61
3.1.5稀土元素注入对真空渗碳过程的催渗与强化机制70
3.2表面纳米化前处理技术75
3.2.112Cr2Ni4A钢表面纳米化前处理工艺76
3.2.2表面纳米化对18Cr2Ni4WA钢组织结构、力学性能及摩擦学性能的影响92
3.2.3表面纳米化前处理对真空渗碳过程的催渗与强化机制105
参考文献116

第4章表面纳米化与稀土复合处理增强真空渗碳过程119
4.1表面纳米化与稀土注入复合前处理119
4.1.1复合前处理工艺参数的选定119
4.1.218Cr2Ni4WA钢复合前处理改性层组织结构与力学性能120
4.2表面纳米化轰击同步引入稀土128
4.2.1稀土种类设计及表面纳米化轰击工艺129
4.2.217CrNiMo6钢表面纳米化引入稀土层组织结构与性能129
4.2.3表面纳米化引入稀土对17CrNiMo6钢渗碳层组织结构的影响132
4.2.4表面纳米化引入稀土对17CrNiMo6钢渗碳层力学性能的影响135
4.2.5表面纳米化引入稀土对17CrNiMo6钢渗碳过程的影响136
4.2.6表面纳米化引入稀土对17CrNiMo6钢渗碳层摩擦学性能的影响137
4.2.7表面纳米化引入稀土对17CrNiMo6钢渗碳层耐腐蚀性能的影响139
参考文献140

第5章真空渗碳后处理及多工艺复合技术142
5.1机械喷丸后处理142
5.1.1机械喷丸对20Cr2Ni4A钢渗碳层组织性能的影响142
5.1.2机械喷丸对12Cr2Ni4A钢渗碳层组织性能的影响156
5.1.3表面纳米化催渗与机械喷丸后处理18Cr2Ni4WA钢真空渗碳层疲劳性能166
5.2超声深滚后处理180
5.2.1超声深滚17CrNiMo6钢真空渗碳层表面形貌与组织结构180
5.2.2超声深滚17CrNiMo6钢真空渗碳层力学性能185
5.2.3超声深滚17CrNiMo6钢真空渗碳层摩擦学性能187
5.2.4超声深滚17CrNiMo6钢真空渗碳层耐腐蚀性能189
5.3复合前处理/离子渗氮后处理191
5.3.117CrNiMo6钢离子渗氮工艺参数的选定191
5.3.217CrNiMo6钢碳氮复合渗层组织结构192
5.3.317CrNiMo6钢碳氮复合渗层力学性能195
5.3.417CrNiMo6钢碳氮复合渗层摩擦学性能197
5.3.517CrNiMo6钢碳氮复合渗层耐腐蚀性能198
5.4稀土注入催渗/离子注入后处理200
5.4.1Ti/Zr-N双离子注入12Cr2Ni4A钢渗碳层表面的组织结构201
5.4.2Ti/Zr-N双离子注入12Cr2Ni4A钢渗碳层力学及摩擦学性能208
5.4.3Ti/Zr-N双离子注入12Cr2Ni4A钢渗碳层耐腐蚀性能210
5.4.4Ti/Zr-N双离子注入12Cr2Ni4A钢渗碳层接触疲劳性能213
5.5复合前处理/离子注入后处理216
5.5.1Ti/Zr/Cr-N双离子注入18Cr2Ni4WA钢渗碳层微观组织结构216
5.5.2Ti/Zr/Cr-N双离子注入18Cr2Ni4WA钢渗碳层纳米力学性能220
5.5.3Cr/Zr/Ti-N双离子注入18Cr2Ni4WA钢渗碳层摩擦学性能221
5.5.4Ti/Zr/Cr-N双离子注入18Cr2Ni4WA钢渗碳层耐腐蚀性能226
参考文献229

第6章真空渗碳层及其复合强化层的疲劳可靠性评估231
6.1基于模拟计算的可靠性评估方法231
6.1.1改进响应面法231
6.1.2疲劳可靠度计算234
6.1.3磨损可靠度计算239
6.2基于试验数据的可靠性评估计算243
6.2.1符合威布尔分布的疲劳可靠性评估方法243
6.2.2基于正态分布的磨损可靠性评估方法252
6.318Cr2Ni4WA钢复合强化件可靠性评估254
6.3.1接触疲劳试验及数据分析254
6.3.2弯曲疲劳试验及数据分析256
6.3.3摩擦磨损试验及数据分析262
6.4可靠性评估系统设计264
6.4.1界面设计的原则和步骤264
6.4.2系统的主要模块设计265
参考文献 267