热丝增强等离子体辅助渗氮中氮在不锈钢中的扩散与析出机制

摘要

目的研究不同放电电流密度下,渗氮层组织及摩擦学性能随时间的演变规律,以及氮在不锈钢中的扩散与析出机制。方法采用热丝增强等离子体辅助渗氮方法,对奥氏体不锈钢表面进行改性。采用XRD及XPS研究渗氮层相组成及结构;采用SEM观察渗氮层的横截面形貌,并利用能谱分析氮含量及其随深度的分布情况;分别使用纳米压痕仪、磨损仪及台阶仪研究渗氮层的摩擦学性能。结果当电流密度为0.81mA/cm^2时,短时间(1~2h)渗氮后,不锈钢表面形成单一过饱和固溶体相;渗氮时间增加到4h后,转变为更稳定的Fe4N相,渗氮层厚度达14.2μm,表面硬度达17.81GPa。当电流密度增加到1.25mA/cm^2时,N与金属原子间结合能增加,渗氮1h开始析出CrN和Fe4N相,4h后表面硬度和模量分别达22.88GPa和314.2GPa,磨损量仅为基体的0.53%。结论氮原子在奥氏体中的扩散系数随电流密度成正比增加。当渗氮时间(或热丝电流)增加,渗氮层厚度与维氏硬度明显增加,其增加趋势正比于时间的1/2次幂,结构由单一固溶体相γN转变为固溶体与少量氮化物析出相CrN和Fe4N,渗氮层的摩擦学性能明显提高。