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1前言 金属材料渗氮可以大幅度提高材料的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。目前工业渗氮有盐浴法、气体法和辉光离子法等。采用微波表面波耦合放电,其下游区丰富的活性原子,受微波激活具有一定的能量。用于金属材料渗氮近年才有报道。
) G! B7 z* N& f5 A& o/ x$ c A.Ricard[7]采用光谱仪,测出放电光谱,诊断下游区的活性氮原子,推测反应为:
$ M @6 L# l2 N/ G- o# c3 {# Q N+N+N2—→N2(5Σ)+N2 (1)
- M6 h$ E3 |6 w6 v/ w/ \$ J, T, t N2(5Σ)←→N2(B,V’=11) (2)% N" c0 O N* t v
N2(B,V’=11)—→N2(A,V”)+hγ (3)& I1 a0 o( ~- q; m8 v0 `
以及活性N原子和石英管壁反应:' s! V L$ O+ Y3 @' `
N+Wall—→1/2N2+Wall (4)
2 N& z8 p; R$ ~2 n6 D5 L 产生的活性N原子渗氮。该工艺有许多独特的优点,不仅对材料无尺寸、位置限制,而且渗氮时间短。9 H8 `; B9 ]& S6 g5 A' w- k- ]
我们用自制装置进行20、45钢气体渗氮工艺,发现材料渗氮后的表面没有白层化合物形成,但材料的显微硬度却得到大幅度提高,为此进行了深入研究。
, E# e+ e+ W2 k 材料渗氮后表面出现白层,白层的脆性限制材料的应用。目前渗氮工艺都或多或少存在这一问题。为了最大限度减少渗氮材料表面的白层或消除白层,采取多种特殊工艺,如①在渗氮过程中控制气氛的参数,抑制白层生长;或材料渗氮后,再通入H2进行还原处理以减少、消除白层。②对渗氮后材料进行研磨,消除白层化合物。这些工艺不仅复杂而且耗时费力,有时还不能全部去除白层。
) B8 {6 W" k8 L0 N6 e9 g2 S 2试验装置及条件* T7 y' Q- L- Y: z& I
图1为试验装置原理图。2.45GHz表面波耦合石英管放电,在远离放电区下游,只存在寿命较长的活性原子。石英管的外直径φ40mm,内直径φ32mm,长度1200mm,加热炉为自制的Ni-Cr丝管式炉,升温速度(20~30)℃/min,最高温度可达800℃。渗氮工艺:N2进气量为10~40L/h,气压250~400Pa,温度450~650℃,微波输入功率70~350W连续可调。试样φ20mm×5mm,放置离放电区500~1000mm处。渗氮前,试样表面抛光到亚镜面,以便测试样的显微硬度。金相腐蚀液为5%的硝酸乙醇液。
# L* @3 g w3 r) W3试验结果 3.1显微硬度" Z- r/ B) K, U2 I& ~9 D% }
测试设备:HX-200显微硬度计,负载砝码20g。表1列出经不同渗氮方式渗氮后45钢的硬度值。微波渗氮试样比未渗氮试样硬度提高达80%左右。
/ _, @$ A; X- a2 f+ B1 U 3.2XRD,XPS及金相分析
" d6 c. l! i8 ^4 o+ b 图2、3为渗氮材料X射线(XRD)分析相结构及X射线光电子谱(XPS)微观分析结果。XRD设备型号:PW-1700,kαCu,谱图显示没有ε、γ、γ′相特征峰,仅有α-Fe峰,即Fe-N固溶体。XPS设备型号:AE1 ES200B。结果显示试样表面有Fe、O、N、C等4种元素。8 ~, `4 J# f) A( u& X
图4为20钢的金相组织照片。电子显微分析设备型号:日立X-650。照片显示试样表面没有白层。
7 e g5 M- t& x) y% T' v表1 45钢经不同工艺渗氮后硬度比较 工 艺 | 气 体[2] | 辉光离子[8] | 微波原子 | 对比试样# | (显微硬度)/(HV) | 380~400 | 418~435 | 420~436 | 242 | (硬度增加比例)/((%)) | 56~65 | 73~80 | 74~80 |
注:#其中微波渗氮的45钢经800℃退火处理。 4讨论6 t* K3 `1 H, P% u) A
从Fe-N相变图(图略)知道,随N原子浓度增加,材料内α相被N原子饱和,通过扩散性的晶格重构化学反应,将形成Fe2~3N、Fe4N等化合物。渗氮气氛中的氮势是主要影响因素,氮势高材料表面氮浓度大,表面易生成化合物。* W4 g( F- H7 z4 S# s: j
A.Ricard等试验测量了气压和活性原子浓度关系。光谱测定微波氮化区活性原子的浓度很高,下游区的浓度可达1015~1016/cm3,按照上述气体渗氮理论,材料表面将形成化合物,而XRD的谱图表明,没有形成化合物,这说明微波活性原子渗氮机理已经发生变化。" S/ P5 n$ ]) _1 [5 z! m0 n+ ]
比较20钢渗氮前后XRD(图5),发现其α-Fe(110)峰值位移发生变化,渗氮材料的晶格常数发生改变。这就是渗氮材料表面硬度提高的原因。6 b+ I* q( R, v+ D, ^. _' ~# w4 T _, P
微波渗氮中活性氮原子浓度高,氮原子更容易扩散,扩散途径变化,不仅有晶界扩散,还存在有杂质少、扩散面积大的晶内扩散,扩散速度大大提高,材料表面不形成化合物,只形成α-Fe固溶体。渗氮机理已完全不同于气体渗氮。
" D. ]$ `+ d0 l- D3 E5 ?6 G5结论 微波等离子体渗氮利用其下游区活性原子浓度高、寿命长,作为渗氮介质,它具有气体渗氮和辉光离子渗氮二者共同的优点,不仅渗氮时间短,温度低,20、45钢渗氮处理后,表面没有生成化合物,表面硬度比未渗氮的提高80%。原因为氮原子在材料内部的扩散不仅通过材料的晶界,还通过材料的晶内,使材料的晶格参数发生了变化,渗氮材料表面硬度虽然提高,但表面没有形成化合物。 |
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