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纯氮离子渗氮新工艺及离子渗氮机理研究

钟厉  
【摘要】:常规离子渗氮工艺所采用的纯NH_3或N_2-H_2混合气体渗氮介质,在渗氮加热过程中,气氛中氨分解的不彻底性和H_2的易燃易爆性,是生产过程中存在的一种隐患。在肯定离子渗氮技术具有显著改善金属材料表面性能优势的同时,离子渗氮工艺中介质的环保和安全问题尤其值得关注。探索能够取代纯NH_3或N_2-H_2混合气体、安全环保的渗氮介质,更好的发挥离子渗氮在金属材料表面改性方面的潜力,已成为当前离子渗氮技术发展迫切需要解决的热点问题之一。 本文基于等离子体放电理论和低温化学热处理原理,研究了纯N_2、N_2-H_2和N_2-NH_3等渗氮介质在辉光放电中的离解行为和能量条件,通过对离子渗氮有关的电参数、温度参数及压力参数等测定,定量计算出纯N_2、N_2-H_2和N_2-NH_3等渗氮介质中N2~+、H_2~+和NH_j~+在电场作用下获得的电场能和不同离子渗氮介质中离解N_2分子的离子临界能,提出了纯氮离子渗氮新工艺。利用显微硬度计、金相显微镜和X射线衍射仪等测试手段,研究了渗氮钢分别在不同阴极电压和渗氮介质条件下经间歇供气闭炉离子渗氮和常规纯氨离子渗氮工艺处理后,其渗氮层的显微组织、硬度梯度分布、相组成及其相对含量,进一步分析了ε和γ’相的调幅结构,并对离子渗氮表面氮浓度进行了计算,深入探讨了离子渗氮工艺参数对活性氮原子的产生及扩散的影响和离子渗氮机理。 理论分析和实验结果表明:(1)本文提出的纯氮离子渗氮新工艺,只有采用高于电压门槛值650V的阴极电压进行离子渗氮,才能使N_2~+离子具有离解中性N_2分子的临界能48.64eV,通过N_2~+离子与中性N_2分子的非弹性碰撞离解产生活性氮原子;纯氮离子渗氮新工艺除要求达到一定的工作电压以外,间歇供气闭炉渗氮是必备条件,否则也不能实现离子渗氮。(2)从理论上为了描述渗氮介质被离解的难易程度,提出了介质中离解N_2分子的离子临界能概念;为了便于工艺参数的控制,提出了与离解N_2分子的离子临界能对应的电压门槛值。(3)纯NH_3、纯N_2、N_2-H_2和N_2-NH_3离子渗氮的渗氮层具有类似的显微组织和相结构,主要与渗氮介质离解产生活性氮原子的气源种类、阴极电压和气体混合比有关。有利于离子渗氮介质离解产生活性氮原子的阴极电压与气体混合比的匹配,将增加表面渗氮层中高氮的ε-Fe_3N相的体积百分数,提高工件的表面氮浓度和硬度,此时离子渗氮层中自亮层、扩散层和心部基体组织三部分特征非常明显。(4)因为不同渗氮介质中入射正离子与中性粒子之间非弹性碰撞产生的能量转换效率不同,导致渗氮介质离解难易程度和渗氮效果不同。如纯氮离子渗氮中离解N_2分子的N_2~+离子临界能为48.64eV,电压门槛值为650V,而氮氢混合气、氮氨混合气中离解N_2 重庆大学博十学位论文 分子的HZ十离子应具有的临界能均为26.06eV,电压门槛值为490V。(5)采用纯 NH3、纯NZ、NZ一H:和NZ一H3进行离子渗氮时,其共同点是必须产生活性氮原子。 NZ一H:混合气离子渗氮的活性氮原子主要来自于HZ十和NZ十等离子与N:中性分子的 非弹性碰撞离解。NZ一H3混合气离子渗氮的活性氮原子则主要来自于HZ十和NZ十 等离子与N:和NH3中性分子的非弹性碰撞离解,其次是部分NH3的热激活分解。 (6)因H:或NH3在电场能作用下离解产生高能HZ+离子,HZ十离子与中性粒子 N:或(和)NH3分子发生非弹性碰撞时,其电场能转换为中性粒子N:和NH3分子 内能的效率高,故H:或NH3的加入可有效地降低离解N:分子的离子临界能和电 压门槛值,改变了N:分子的离解机制,使NZ一H:和NZ一NH3混合气介质比纯氮气 体介质更容易离解产生活性氮原子。(7)离子渗氮层。和丫化合物相的形成,直接 影响氮原子自界面向内层a相中的扩散,化合物相的扩散系数是控制氮原子在渗 氮层内扩散的关键因子。(8)针对从氨气气体渗氮得到的氮势定义无法描述其它 渗氮工艺这一问题,基于渗氮机理和热力学理论,推导出了关于渗氮气氛“氮势” 的一般表达式为。、=K·以:’,该式适用于不同含氮介质的气体渗氮和离子渗氮, 而且也可以采用铁中的氮活度a、来表示形成丫一Fe4N和。一Fe3N相的临界氮势。 关键词:纯氮,离子渗氮,机理,活性氮原子,离子临界能,氮势


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