基于空心阴极放电的材料表面等离子体改性技术研究

摘要

离子氮化具有工件变形小,渗速快、节能环保等优点,能有效提高金属零部件的表面硬度、耐磨损和耐腐蚀等性能。渗氮时,工件为阴极,炉壁为阳极,在阴阳极之间加以数百伏直流/脉冲偏压。炉内低压含氮气体被电离,大量高能含氮离子轰击工件表面,把工件加热到所需处理的温度,同时产生的活性氮原子与表面发生物理化学反应,获得一定深度的改性层。然而受气体放电特性和电场效应的影响,工件形状对表面温度的均匀性影响很大,出现表面打弧、边缘效应和空心阴极效应等问题。
　　 此外,渗氮理论研究的滞后同样阻碍了这一技术的应用和发展。目前为研究者所接受的渗氮理论有:溅射沉积、氮氢分子离子化、中性原子轰击、碰撞离析、溅射-吸附-脱附等。其结论是在相对独立的条件下得到的,过于强调某类粒子的作用,弱化了其它粒子的贡献,尚无一种理论能解释离子渗氮的共性问题。
　　 针对目前离子渗氮技术和理论中存在的问题,提出空心阴极放电离子氮化技术进行材料表面改性处理。采用双层筒状薄钢板组成空心阴极结构环绕工作空间,气体经过空心阴极放电电离向工作空间提供高活性的氮离子、原子等物质;同时空心阴极电极还可作为高效热源辐射加热工件。
　　 选择有代表性的重要结构材料(42CrMo低合金钢和AISI316L奥氏体不锈钢)作为研究对象,对试样施加不同的电位,如:阴极电位、阳极电位、悬浮电位和偏压。通过改变施加试样电位的不同,限制到达基体表面的粒子种类f如含氮正离子或含氮中性原子等)。利用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微分析(CLSM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段,分析测定改性层中氮浓度、表面化合物相组成以及改性层厚度,用来评价施加电位和各类粒子对渗氮的影响。
　　 实验表明,工件可不作为放电阴极,表面基本无离子轰击与溅射,保持原有的光洁度,避免了传统离子渗氮中存在的温度不均匀性、表面打弧和边缘效应等缺点。在不同电位下,42CrMo低合金钢均可在表面形成由化合物层(ε-Fe2-3和γ'-Fe4N相)和扩散层组成的氮化层。在悬浮和阳极电位下,低温氮化奥氏体不锈钢可在表面获得单一的γN相硬化层。在高温短时间内,奥氏体不锈钢试样能够被快速加热,也可获得以γN相为主的硬化层,具有良好的耐点蚀性能,显着提高了传统离子氮化效率。
　　 借助空心阴极放电结构设计的特点,灵活改变工件所处的等离子体环境:阳极电位、阴极电位、悬浮电位和偏压,研究含氮正离子和中性含氮粒子对渗氮行为的影响,对存在争议的渗氮理论进行有益的探索。