起动器厂家
免费服务热线

Free service

hotline

010-00000000
起动器厂家
热门搜索:
行业资讯
当前位置:首页 > 行业资讯

机械网--碳钢微波等离子体渗氮研究

发布时间:2021-11-18 15:04:52 阅读: 来源:起动器厂家

摘要:微波(2.45GHz)使放电管(φ32mm)产生等离子体,在其同直径渗氮管下游区活性原子浓度高、寿命长[1],处理金属材料无尺寸和位置限制,45、20钢渗氮后微观分析发现,其表面没有化合物白层(ε、γ、γ′相),X射线衍射(XPD)分析,仅存在α-Fe相结构,X射线光电子谱(XPS)分析材料表面有N元素。测出渗氮试样比未渗氮试样的显微硬度高80%。其缘由为α-Fe峰值位移变化,材料晶格参数改变,表面氮分散层引发显微硬度提高。关键词:活性氮原子渗氮显微结构碳钢微波等离子体1 前言金属材料渗氮可以大幅度提高材料的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性[2]。目前工业渗氮有盐浴法、气体法和辉光离子法等。采取微波表面波耦合放电,其下游区丰富的活性原子,受微波激活具有1定的能量。用于金属材料渗氮最近几年才有报道[3~5,7,11]。A.Ricard[7]采取光谱仪,测出放电光谱,诊断下游区的活性氮原子,推测反应为:N+N+N2—→N2(5Σ)+N2(1)N2(5Σ)←→N2(B,V’=11)(2)N2(B,V’=11)—→N2(A,V”)+hγ(3)和活性N原子和石英管壁反应:N+Wall—→1/2N2+Wall(4)产生的活性N原子渗氮。该工艺有许多独特的优点,不但对材料无尺寸、位置限制,而且渗氮时间短。我们用自制装置进行20、45钢气体渗氮工艺,发现材料渗氮后的表面没有白层化合物构成,但材料的显微硬度却得到大幅度提高,为此进行了深入研究。材料渗氮后表面出现白层,白层的脆性限制材料的利用。目前渗氮工艺都或多或少存在这1问题。为了最大限度减少渗氮材料表面的白层或消除白层,采取多种特殊工艺,如①在渗氮进程中控制气氛的参数拆迁中评估公司具体怎么做,抑制白层生长;或材料渗氮后,再通入H2进行还原处理以减少、消除白层。②对渗氮后材料进行研磨,消除白层化合物[6]。这些工艺不但复杂而且耗时费力,有时还不能全部去除白层。2 实验装置及条件图1为实验装置原理图。2.45GHz表面波耦合石英管放电,在阔别放电区下游,只存在寿命较长的活性原子。石英管的外直径φ40mm,内直径φ32mm,长度1200mm,加热炉为自制的Ni-Cr丝管式炉,升温速度(20~30)℃/min,最高温度可达800℃司法强拆有法定程序吗。渗氮工艺:N2进气量为10~40L/h,气压250~400Pa,温度450~650℃,微波输入功率70~350W连续可调。试样φ20mm×5mm,放置离放电区500~1000mm处。渗氮前,试样表面抛光到亚镜面,以便测试样的显微硬度。金相腐蚀液为5%的硝酸乙醇液。图1 微波渗氮实验装置

3 实验结果3.1 显微硬度测试设备:HX⑵00显微硬度计,负载砝码20g。表1列出经不同渗氮方式渗氮后45钢的硬度值。微波渗氮试样比未渗氮试样硬度提高达80%左右。3.2 XRD,XPS及金相分析图2、3为渗氮材料X射线(XRD)分析相结构及X射线光电子谱(XPS)微观分析结果。XRD设备型号:PW⑴700,kαCu,谱图显示没有ε、γ、γ′相特点峰,唯1α-Fe峰,即Fe-N固溶体。XPS设备型号:AE1 ES200B。结果显示试样表面有Fe、O、N、C等4种元素。图4为20钢的金相组织照片。电子显微分析设备型号:日立X⑹50。照片显示试样表面没有白层。图2 20钢的XRD

图3 20钢的XPS

图4 20钢的金相结构

表1 45钢经不同工艺渗氮后硬度比较工艺气体[2]辉光离子[8]微波原子对比试样#(显微硬度)/(HV)380~400418~435420~436242(硬度增加比例)/((%))56~6573~8074~80-注:#其中微波渗氮的45钢经800℃退火处理。

图5 20钢的XRD(a)渗氮试样(b)未渗氮试样

微波等离子体渗氮利用其下游区活性原子浓度高、寿命长,作为渗氮介质,它具有气体渗氮和辉光离子渗氮2者共同的优点,不但渗氮时间短,温度低,20、45钢渗氮处理后,表面没有生成化合物,表面硬度比未渗氮的提高80%。缘由为氮原子在材料内部的分散不但通过材料的晶界,还通过材料的晶内,使材料的晶格参数产生了变化,渗氮材料表面硬度虽然提高,但表面没有构成化合物。从Fe-N相变图(图略)知道,随N原子浓度增加,材料内α相被N原子饱和,通过分散性的晶格重构化学反应,将构成Fe2~3N、Fe4N等化合物。渗氮气氛中的氮势是主要影响因素[8],氮势高材料表面氮浓度大,表面易生成化合物。A.Ricard等实验丈量了气压和活性原子浓度关系。光谱测定微波氮化区活性原子的浓度很高,下游区的浓度可达1015~1016/cm3[7],依照上述气体渗氮理论,材料表面将构成化合物,而XRD的谱图表明,没有构成化合物,这说明微波活性原子渗氮机理已产生变化。比较20钢渗氮前后XRD(图5),发现其α-Fe(110)峰值位移产生变化,渗氮材料的晶格常数产生改变。这就是渗氮材料表面硬度提高的缘由。微波渗氮中活性氮原子浓度高,氮原子更容易分散,分散途径变化,不但有晶界分散,还存在有杂质少、分散面积大的晶内分散,分散速度大大提高,材料表面不构成化合物,只构成α-Fe固溶体。渗氮机理已完全不同于气体渗氮[9,10]。《参考文献》[1] Supiot.Ph,et al.Spectroscopic study of reaction of tetramethyl disiloxane with a cold remote nitrogen plasma:effect of dioxygen addition in the rective mixture.Plasma Chem.& Plasma Process.,1993,13(3):539~542[2] 刘永铨.钢的热处理.北京:冶金工业出版社,1987:435~457[3] Falk L,et al.Effect of process parameters on the atomic nitrogen concentration as measured by chemilaminescence in a post-discharge nitriding reactor. Materials Sci.& Engineering,1991,AI 39:132~136[4] 陈强,胡海天等.微波等离子体氮化.95全国材料处理及等离子体利用论文集,成都,1995:43~45[5] 胡海天,陈强等.微波等离子体渗氮装置.金属热处理,1995(10):34~35[6] 雷廷权,傅家骐.热处理工艺方法300种.北京:机械工业出版社,1993:341~360[7] Ricard A.et al. Active species in microwave postdischarge for steel-surface nitriding.IEEE Trans.On Plasma Sci.1990,(18):940~944[8] 周孝重,陈大凯.等离子体热处理工业技术.北京:机械工业出版社,1990:243~272[9] Gredic T.et al.Substrate-induced changes of TiN and (Ti,Al) N coating due to plasma nitriding.Surf.Coat.Technol.,1992,(54):502~506[10] Huang H H,et al.Microstructure and mechanical properties of surface layer obtained by plasma nitriding and/or TiN coating on high speed steel.Surf.Coat.Technol.1994(41):41~46[11] Chen Qiang,Wang Shou-guo,Wu Qian-chong.Microstructure and mechanical properties of surface layer obtained by microwave postdischarge nitriding on steels.Proceeding of 13rd International conference on plasma chemistry.Beijing,1997:546~549(end)资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章