空气—甲烷氮碳氧多元离子共渗工艺的研究

摘要

工程上绝大多数零件的失效都是从表面开始的，开发新的表面强化技术对于提高机械零件的使用寿命具有重要的意义。离子渗氮是一种利用气体的辉光放电现象，将离解的活性氮原子渗入材料表面内部，形成氮化合物层和扩散层，从而有效提高钢件的耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度等性能的一种化学热处理工艺。研究和开发以离子渗氮为基础的复合工艺，是当前该领域的一个热点。 空气中含有79﹪氮气，是离子渗氮的理想的氮源。在空气添加适量的甲烷气体，实现以渗氮为主，以渗碳和渗氧为辅的多元共渗，不但大胆地利用了空气，而且工艺操作简单，成本低廉。本文采用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、QH-1型摩擦磨损试验机、电化学性能分析测试仪等实验手段，分析测试了40Cr钢经空气—甲烷离子氮碳氧多元共渗工艺处理后的成分、组织、结构和性能，并与常规离子渗氮进行了比较，对空气—甲烷离子氮碳氧多元共渗的机理进行了初步分析讨论。得出如下的研究结果： (1)空气—甲烷离子氮碳氧多元共渗层的组织与常规离子渗氮层相似，由化合物层、扩散层和基体组成。 (2)经空气—甲烷离子氮碳氧多元共渗处理后，40Cr钢渗层的硬度梯度平缓，且随着甲烷添加比例的增大，最高硬度先增大而后减小，空气和甲烷最佳混合比例时，渗层最高硬度可达540HV0.2。 (3)空气—甲烷离子氮碳氧多元共渗层物相由氮化物，碳化物和氧化物组成。随着甲烷比例的提高，氧化物、氮化物含量逐渐减少，碳化物含量逐渐增多。 (4)甲烷的加入不但提供了渗碳的碳源，还抑制了工件表面的过分氧化，促进了氮气的分解。甲烷与空气的比例是工艺的关键控制因素，它对共渗层的硬度、物相等起着决定性的作用。 (5)空气—甲烷离子氮碳氧共渗工艺与普通离子渗氮层相比，共渗层具有更好的耐磨性能、抗腐蚀性能和更低的成本，具有较好的应用价值。

目录

文摘

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1绪论

1.1辉光放电

1.2等离子渗氮炉

1.3渗氮处理基础

1.3.1 Fe-N系状态图

1.3.2渗氮过程中组织的形成及氮的扩散

1.4等离子渗氮的特点和历史

1.5离子渗氮模型

1.5.1阴极溅射模型

1.5.2分子离子NHj+模型

1.5.3中性氮原子模型

1.5.4离子碰撞离解模型

1.6复合渗

1.6.1碳氮共渗

1.6.2渗硫及含硫的多元共渗

1.6.3氮氧共渗

1.7本课题的目的和意义

2实验内容及方法

2.1实验用钢的选择

2.2预备热处理

2.3阴极支撑柱的设计

2.4离子共渗工艺参数

2.5氮碳氧共渗试样测试分析方法

2.5.1金相组织观察

2.5.2扫描电镜观察和能谱分析

2.5.3物相分析

2.5.4显微硬度测定

2.5.5摩擦磨损分析

2.5.6耐腐蚀性能测试

3实验结果与分析

3.1金相显微组织

3.2 SEM形貌

3.3共渗层元素分布

3.4共渗层和副产物的物相组成

3.4.1氮碳氧共渗层的物相组成

3.4.2副产物的物相

3.5氮碳氧共渗层的硬度

3.6氮碳氧共渗层的耐磨性

3.7氮碳氧共渗层的电化学性能

4空气-甲烷离子氮碳氧共渗机理

4.1甲烷气体的反应

4.1.1甲烷的裂解和部分氧化

4.1.2甲烷的碰撞分解

4.2氧气的放电反应

4.3氢等离子体状态

4.4氮等离子体状态

4.5混合等离子气体中的反应

4.5.1电离

4.5.2离解

4.5.3等离子体与固体界面的相互作用

4.5.4固相反应与扩散

5结论

致 谢

参考文献

附 录