活性屏离子渗氮的机理及应用基础研究

【摘要】：活性屏离子渗氮是一种新的离子渗氮技术,克服了直流离子渗氮过程中炉室温度不均匀、工件打弧、边缘效应、空心阴极效应等一些固有缺点,而且能达到和普通直流离子氮化一样的处理效果,甚至可以对奥氏体不锈钢进行渗氮处理。活性屏离子渗氮技术的出现将是普通直流离子氮化技术强有力的竞争对手。 本文采用收集从活性屏上溅射下来的粒子,并对其进行显微分析的方法,研究了活性屏粒子渗氮的机理以及在特定条件下活性屏离子渗氮的可行性,同时对高速钢活性屏离子渗氮处理的应用基础进行了研究。通过先进的测试仪器和分析方法,如场发射扫描电镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)等,观察了收集粒子的表面形貌、分析了粒子的成分组成和组织结构等,并用金相显微镜(OM)、显微硬度计分析了渗氮层的金相组织和渗氮层的显微硬度。试验结果表明: 活性屏离子渗氮是一个物理吸附—脱附的过程。从活性屏上溅射下来的纳米数量级的Fe_xN(x2)粒子,在向工件表面迁移的过程中,粒子表面吸附了等离子体空间的氮原子,然后沉积在工件的表面上。在一定的工件表面温度下,粒子表面物理吸附的氮原子发生脱附,脱附下来的活性氮原子渗入基体的内部,形成渗氮层。 在纯氮气氛中进行活性屏离子渗氮处理时,放电电压是一个关键的工艺参数。只有当放电电压高于某一定的阈值后,才能在纯氮气氛中进行活性屏离子渗氮处理。当放电电压低于这一阈值时,从活性屏上溅射下来的粒子表面被铁的氧化物(Fe_3O_4)覆盖,降低了粒子表面的活性,阻碍了氮原子在粒子表面的吸附,无法提供离子渗氮所必需的活性氮原子。 高速钢进行活性屏离子渗氮处理时,经过工艺参数优化后,渗氮层硬度梯度变缓,高硬层内移,改善了高速钢渗氮层的内在质量。