低压电弧等离子体渗氮奥氏体不锈钢的研究

摘要

奥氏体不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性能，广泛应用于核反应堆、化学和石化加工、人体生物假体、食品加工、海洋工程及厨房用具等。但是奥氏体不锈钢存在硬度低、耐磨性差等问题，而且还不能通过相变进行强化，限制了其在涉及摩擦磨损工况的工业领域的应用。离子渗氮是一种有效提高奥氏体不锈钢硬度和增强耐磨性的方法，为了避免CrN析出物的形成，恶化其耐腐蚀性能，一般都在低于450℃下进行渗氮处理，在这一温度下渗氮效率很低，难以满足实际应用需求。低压电弧等离子体渗氮(LPA-PN)技术是一种在相对高真空条件下(低至0.4-4 Pa)，利用气体弧光放电进行的氮化处理工艺。该技术具有等离子体密度高，渗氮效率高特点，但是其对奥氏体不锈钢渗氮后的结构及性能还缺乏系统深入的研究。本文采用LPA-PN技术对奥氏体不锈钢进行表面渗氮处理，对渗氮层的组织结构、耐磨、耐腐蚀性能及其机理进行了系统的研究，为该技术在奥氏体不锈钢渗氮处理方面的应用提供理论支持。
　　研究了工艺参数对渗层的相结构、渗氮动力学、显微硬度的影响，结果表明，对奥氏体不锈钢进行LPA-PN能得到两种渗氮层相，温度高于430℃时生成氮化物相，主要成分为氮化铁和少量的氮化铬;渗氮温度在430℃以下时形成扩张奥氏体相(γN)，N含量大约为20 at.％。γN相显微硬度可达1000 HV，超过基体硬度的4倍，且形成速率非常快，LPA-PN处理304奥氏体不锈钢1h可获得30μm厚γN相渗氮层。这种高硬度的γN相渗氮层具有由纳米晶外表层和粗晶内层组成的双层结构。渗氮气氛（氩气和氮气比）和电弧电流大小对渗氮层相组成没有明显的影响。
　　对渗氮层耐磨性能进行了综合分析，结果表明，渗氮层能大幅提高奥氏体不锈钢的耐磨性能。γN相在摩擦过程中发生了氧化反应，结合磨痕的微观形貌特征，γN相磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。
　　采用腐蚀电化学和XPS分析方法对渗氮层进行了腐蚀学性能的研究。通过对动电位极化曲线和极化后样品表面形貌的分析，发现γN相渗氮层耐点蚀腐蚀性能得到大幅提高。原始不锈钢钝化膜呈现出单容抗弧特征，而γN相渗氮层钝化膜则具有双容抗弧特征，且容抗弧半径更大。频率低于10 kHz时，γN相渗氮层钝化膜的阻抗值比奥氏体不锈钢的阻抗值大，同时其具有两个宽化的相位角平台。γN相表层纳米晶结构促进了钝化膜的生长，同时诱导其在NaCl溶液中释放N原子，使γN相渗氮层具有优良的耐点蚀性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 渗氮层组织

1．3 渗氮技术的发展概述

1．4 等离子体渗氮特征

1．4．1 气体辉光放电

1．4．2 等离子渗氮理论

1．4．3 等离子体渗氮优缺点

1．5 等离子渗氮新技术

1．5．1 活性屏等离子体渗氮(ASPN)

1．5．2 空心阴极放电等离子体渗氮

1．5．3 等离子体注入(PI)

1．5．4 低压电弧等离子体渗氮(LPA-PN)

1．6 奥氏体不锈钢等离子体离子渗氮

1．7 本论文的研究目的和内容

第二章 实验方法

2．1 实验材料

2．2 低压电弧等离子体渗氮装置及渗氮过程

2．2．1 低压电弧等离子体渗氮装置

2．2．2 低压电弧等离子体渗氮过程

2．3 组织结构分析

2．3．1 相结构分析

2．3．2 成分及价态分析

2．3．3 微观形貌分析

2．4 性能评价

2．4．1 硬度

2．4．2 摩擦磨损学性能

2．4．3 腐蚀电化学性能

第三章 低压电弧等离子体渗氮奥氏体不锈钢的工艺研究

3．1 引言

3．2 实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 渗氮温度对渗氮层组织结构的影响

3．3．2 氩气含量对高温渗氮层组织结构的影响

3．3．3 弧流对渗氮层组织结构的影响

3．3．4 γN的结构特征

3．4 本章小结

第四章 低压电弧等离子体渗氮奥氏体不锈钢的摩擦行为

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 LPA-PN处理奥氏体不锈钢的显微硬度

4．2．2 LPA-PN处理奥氏体不锈钢的摩擦磨损性能

3．3．5 γN相渗氮层与TiN硬质薄膜性能对比

4．3 本章小结

第五章 低压电弧等离子体渗氮奥氏体不锈钢的腐蚀行为

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 高温渗氮层的动电位极化曲线

5．2．2 低温渗氮层的动电位极化曲线和腐蚀表面形貌

5．2．3 γN相渗氮层电化学阻抗谱分析

5．2．4 γN相渗氮层钝化膜成分及价态

5．2．5 γN相渗氮层纳米晶表层对耐腐蚀性能的影响

5．3 本章小结

第六章 全文结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果