PDF《博士学位论文公示材料》

―1― 博士学位论文公示材料 学生姓名 朱翔鹰 学号

1010217 二级学科 冶金物理化学 导师姓名 翟玉春 论文题目 锰球压力氮化的基础研究 论文关键词 高氮钢;

氮化锰;

氮化;

放热反应;

锰球 论文摘要(中文) 随着对氮化合金认识和利用的深入与普及,氮化锰的使用量逐渐增加.

氮化锰合金的相关基础研 究和工艺开发具有重要的现实意义和应用价值.国内的氮化锰生产工艺存在诸多不足之处,导致氮化 锰产品的氮含量不稳定,氮化时间偏长,能耗较高.同时,现有的研究更多的局限于锰粉的氮化,相 关的研究结果很难直接应用于指导氮化锰球的工业化生产.因此,开展锰球加压氮化的研究很有必要. 本文利用自制的密闭氮化系统,研究了不同制备条件(锰粉粒度、成球压力和粘结剂添加量)和过程 参数(氮气压力、氮化温度和冷却制度)下的锰球氮化反应,以及氮化前后样品密度和孔隙率的变化, 并建立了描述存在温度梯度的锰球氮化过程的动力学模型.基于锰球氮化反应过程的理论和实验研究, 设计了新的锰球氮化炉及其工艺制度.获得的研究结果如下: (1)氮化锰球制备的优选工艺参数为:锰粉粒度(10-16 目) ,成球压力为

354 MPa,水玻璃添加 量为 2%,氮气压力 0.5 MPa,初始氮化温度为 900℃,氮化保温时间

1 h. (2)在优选工艺参数的基础上,仅锰粉粒度从(10-16 目)变成(60-80 目)时,球心最大温升 从147℃增大到 233℃,最大峰值温度到达时间从

164 s 缩短为

101 s,氮化

1 h 的转化率从 90.81%增大 到93.64%,温度峰值时刻的转化速度从 2112* 10-6 s-1 增加到 6667* 10-6 s-1 ,而氮化

1 h 时的转化速度 则从 35.62* 10-6 s-1 降低至 16.44* 10-6 s-1 . (3)在优选工艺参数的基础上,仅成球压力从

266 MPa 增到

443 MPa 时,球心最大温升从 36℃ 增大到 81℃, 最大峰值温度到达时间从

231 s 缩短为

142 s, 氮化

1 h 的转化率从 91.59%增加到 94.92%, 球心温度峰值时刻的转化速度从 1683* 10-6 s-1 增加到 2342* 10-6 s-1 ,而氮化

1 h 时的转化速度则从 41.44* 10-6 s-1 降低至 19.52* 10-6 s-1 . (4)在优选工艺参数的基础上,仅锰粉粒度为 16-40 目,水玻璃添加量从 1%增加到 3%时,锰粉 球心最大温升从 134℃增大到 148℃,最大峰值温度到达时间从

166 s 缩短为

151 s,氮化

1 h 的转化率 从92.90%降低到 89.80%. (5)锰球氮化转化速度与时间的关系可用正态对数分布的概率密度函数近似拟合,即: 上式中,当t=tc,r 取得最大值. (6) 在优选工艺参数的基础上, 仅氮气绝对压力由 0.2 MPa 增至 0.6 MPa 时, 球心最大温升由 55℃ 升高至 159℃,球心温度峰值时刻由

324 s 缩短至

138 s,反应速度峰值时刻由

266 s 缩短至

86 s,最终 增重率由 6.46%增至 8.09%, 增重速度峰值由 8.15* 10-3 s-1 增至 62.7* 10-3 s-1 , 转化速度峰值由 103* 10-3 s-1 增至 726* 10-3 s-1 . (7)在优选工艺参数的基础上,仅锰球氮化初始温度由 700℃升高至 850℃,提高温度有利于提 高氮化后锰球的氮含量,但温度由 850℃升高至 950℃时,不同温度下氮化

2 h 后样品的氮含量几乎没 有明显区别,原因在于高温下反应速度快,短时间内释放出大量的热,使得样品出现严重的烧结现象, 在达到高温并保温一段时间后,缓慢降温有助于提高氮含量. (8)采用热重和差热的方式对氮化锰的氧化反应和分解反应进行了动力学分析,其中: 氮化锰氧化反应过程中的最高增重峰对应的主反应式为: ―2― 该氧化反应的动力学方程为: 氮化锰分解反应过程中有四个吸热峰,分别对应四个分解反应: 分解反应式 1: 分解速率方程 1: 分解反应式 2: 分解速率方程 2: 分解反应式 3: 分解速率方程 3: 分解反应式 4: 分解速率方程 4: (9)锰粉粒度为 20-40 目,氮化锰粉的密度与氮含量的关系为: ,其中真密度 ρr 单位为 kg・ m-3 ,氮含量 N 为百分含量,范围为 0-8%. (