直流脉冲空心阴极离子渗氮研究

【摘要】：渗氮是工件的一种重要化学热处理方法,渗氮后,工件表面的化学成分和组织状态发生改变,形成一层渗氮层,使得工件具有很高的硬度和耐磨性能,同时具有很高的抗疲劳性能,并且渗氮后工件变形小,可以作为精密工件的强化方法。渗氮还可以作为工件镀膜处理的中间过程,特别适合在硬度不高的合金(钛合金、铝合金、镁合金等)基底上镀硬质薄膜。近些年,随着离子渗氮技术的发展,工件外表面的渗氮技术已经非常成熟,而对于管状工件的内表面渗氮来说,则有渗氮层不均匀,渗氮效果差等问题。为了解决管件内表面的渗氮问题,本实验设计了直流脉冲空心阴极离子渗氮的新方法,将管件作为设备的阴极,直接在管件内部产生等离子体,对管件内表面进行渗氮。 本实验所用的渗氮材料为AISI304不锈钢,将AISI304不锈钢制成平板型空心阴极,并对其内表面进行直流脉冲空心阴极离子渗氮处理。本实验设置了电流、压强、N2含量和时间四组参数,研究了这些渗氮参数对渗氮层厚度、相结构、硬度和耐磨性能的影响,优化出了最佳渗氮工艺参数。用金相显微镜观察了渗氮层的厚度、组织和形貌,X射线衍射仪(XRD)分析渗层的相结构,显微维氏硬度计测量渗层的表面硬度,摩擦磨损实验机测试渗层的摩擦性能。 实验结果表明,直流脉冲空心阴极离子渗氮是一种高效的离子渗氮方法,渗氮速度快,得到的渗氮层厚度大,经过4h的渗氮后,得到的最厚的渗氮层厚度为80μm。渗氮层中是以S相为主,并有CrN相析出。渗氮层的相结构和厚度使得渗氮层具有优异的机械性能。渗氮后,试样表面的硬度值变大,最大硬度值达到了原始试样的12倍。摩擦性能也得到了提高,试样的摩擦系数降低,磨痕变得不明显。实验发现,最佳渗氮电流为0.3A,过低则不能形成渗氮层,过高则渗氮层厚度变薄,硬度和耐磨性能下降。最佳渗氮压强为3Torr,压强降低则渗氮层性能稍有下降,压强过高则不能形成渗氮层。最佳渗氮N2含量为33%,N2含量过高则不能形成渗氮层。最佳渗氮时间为2h,时间过短则渗氮层厚度变薄,时间过长则内应力超过试样的屈服强度使试样发生塑性变形,晶格畸变能得到释放,试样的硬度和耐磨性能降低。