激光和等离子体混合方法制备铁氮化合物的研究

摘要

钢铁是现代工业生产中广泛应用的材料之一，而且也已经成为我们日常生活中不可缺少的材料。钢铁的应用已经渗透进了我们生产、生活的各个方面。近年来，随着对钢铁材料性能要求的不断增长，原始冶金方法已不能满足方方面面对钢铁材料的要求。因而涌现出了许多改变钢铁性能的方法，其中以对钢铁表面性能的改变尤为受人关注。现在最普通的方法就是在钢铁的表面形成一层致密的氮化膜，这样可以很好的改变钢铁的表面硬度和耐磨性。制备氮化膜的方法有很多，但它们都存在着工业应用的局限性，同时生产工艺也相对复杂。 本实验的主要目的是利用激光和等离子体混合的方法在铁基底的表面制备氮化铁薄膜，并且要求制备的氮化铁有很好的热稳定性。 本论文简单介绍了有关等离子体的发展和应用，铁氮化合物形成机理。还介绍了几种制备氮化铁的方法，并指出了它们的局限性。为了分析不同条件下等离子体焰的光谱，利用平面光栅单色仪和数据采集卡对不同的气体组成、气体流量、输入电压等条件下对等离子体的放光光谱从3000A到8000A进行了数字化纪录，并加以分析。利用激光和等离子体混合在大气气氛中常压下对铁基底进行了氮化处理，对制备的样品进行XRD测试，并对测试结果作了简单的分析。为了研究我们制备的氮化铁样品的热稳定性，对氮化铁样品在不同的温度下退火，退火后的样品同样作了XRD测试。对实验结果进行分析，得出以下结论： 一、氮等离子体的分子光谱和原子光谱随着氮气流量的增加而增强，证明随着氮气流量的增加氮气的分子分裂、原子化和离子化程度都有所增强。在单纯的氮气中加入氩气也会使氮气的分子分裂和离子化程度大幅度的增强。 二、对XRD测试结果的分析表明，在大气气氛常压下利用激光和等离子体混合方法可以制备氮化铁。这种制备氮化铁的方法可以很好的抑制铁样品的氧化。其氮化效果明显优于单独利用激光或等离子体制备氮化铁所得出的氮化效果。激光功率是影响氮化效果的重要因素之一，随着激光功率的增高氮化铁浓度将增加。在同样的激光功率下，扫描速度加大的时候，样品中氮化铁的浓度下降。等离子体的气体流量也是重要的影响因素，气体流量大于0.5m3/h时才有氮化效果，并且随着气流量的增加氮化效果更加明显。 三、对退火后样品的XRD测试显示，样品在800℃以下退火对于氮化铁几乎没有影响，在1000℃退火时有一定的铁氮化合物被分解。说明我们制备的样品可以在800℃时还能保持良好的热稳定性。 通过实验和对实验结果的分析表明，实验实现了利用激光和等离子体混合方法制备氮化铁的目标。并且所制备的氮化铁样品在800℃退火时，氮化物没有分解，说明其热稳定性能够基本达到工业应用的要求。

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第一章绪论

1.1等离子体发展现状

1.1.1等离子体的发展

1.1.2等离子体的应用

1.1.3等离子体发生器的研究

1.2铁氮化合物的形成机理

1.3铁氮化合物的制备方法

1.3.1气体热渗氮

1.3.2离子渗氮

1.3.3磁控反应溅射法

1.3.4等离子体辅助化学气相沉淀(PACVD)法

1.3.5激光氮化方法

1.4本实验的目的

第二章等离子体光谱分析

2.1引言

2.2实验装置的设计

2.3等离子体光谱

2.3.1 N2等离子体光谱

2.3.2 N2和Ar混合的等离子体光谱

2.4本章小节

第三章铁氮化合物的制备

3.1引言

3.2实验装置及样品制备

3.2.1本实验采用的主要实验设备

3.2.2实验样品的制备

3.3铁氮化合物的制备

3.3.1激光功率密度对铁氮化合物形成的影响

3.3.2扫描速度对铁氮化合物形成的影响

3.3.3氮等离子体流量对铁氮化合物形成的影响

3.4本章小节

第四章铁氮化合物稳定性的研究

4.1引言

4.2铁氮化合物稳定性的研究

4.2.1实验样品及实验方法

4.2.2退火结果及讨论

4.3本章小节

第五章总结论

参考文献

致谢