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空气—有机液体离子氮碳氧共渗工艺及机理的研究

刘林飞  
【摘要】: 离子化学热处理由于能显著改善金属材料表面性能,得到了广泛的应用。但是目前离子渗氮生产和科研中主要使用氨气、氮气和氢气作为气源,存在氨气的污染、使用高压气瓶和氢气易燃易爆的安全隐患。众所周知,节能降耗和绿色热处理是当今热处理发展的必然趋势,离子渗氮和共渗工艺中的环保和安全问题同样值得关注。 空气是大自然中取之不尽、用之不竭的零成本气源,而且不会造成环境污染。本文基于等离子体放电理论和低温化学热处理原理,研究了空气-有机液体离子氮碳氧共渗工艺和机理。为了研究空气-有机液体离子氮碳氧工艺,首先进行了氮气-甲烷离子氮碳工艺的基础研究,然后研究了空气-汽油和空气-乙醇离子氮碳氧共渗工艺。利用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计和X射线衍射仪等测试手段,研究了40Cr钢在不同电压和共渗介质条件下离子氮碳氧共渗后,其共渗层的显微组织、相组成和硬度梯度分布,并用磨损实验和电化学分析方法测定了共渗后的耐磨和耐腐蚀性能。 理论分析和实验结果表明:(1)空气-有机液体离子氮碳氧共渗工艺是可行的。(2)氮气-甲烷离子氮碳共渗、空气-汽油和空气-乙醇离子氮碳氧共渗的渗层具有类似的显微组织和相结构,渗层由白亮层、扩散层和心部基体组织三部分组成,层深和相组成主要与介质种类、阴极电压和气体介质混合比有关。有利于介质离解产生活性氮原子的阴极电压和合适的气体混合比,有合适的氮、碳和氧浓度,将增加表面渗层中高氮的ε-Fe3N相的体积百分数,提高试样表面氮浓度和硬度。(3)采用氮气-甲烷离子氮碳共渗、空气-汽油和空气-乙醇离子氮碳氧共渗时,其共同点是必须产生活性氮原子,活性氮原子主要来自于甲烷、汽油和乙醇离解产生的H2+、H+等离子与N2中性分子的非弹性碰撞离解。(4)随着甲烷、汽油和乙醇流量比的增加,共渗效果先增强再减弱,分别在氮气-甲烷、空气-汽油和空气-乙醇流量比为25:3、25:2.5和25:6时共渗效果最好。过多的甲烷、汽油和乙醇流量将产生大量的活性C原子,过多的碳原子的渗入阻碍氮的扩散。(5)汽油和乙醇的氧化重整既能消耗氧气,降低氧偏压,又能产生氢离子,从而促进活性氮原子的产生。(6)阴极电压的增加,有利于提高电场能,促进活性原子的产生,但是过高的阴极电压对应炉内气压低,使活性原子的浓度减少。氮气-甲烷离子氮碳共渗和空气-乙醇离子氮碳氧共渗在电压分别为600V和640V时共渗效果最好。 采用第一性原理研究了C、N、O在Fe(111)表面上不同覆盖度时的吸附,Fe-C(N、O)体系的化合物和固溶体的形成能,以及C、N、O在铁中的扩散激活能和空位形成能。计算结果表明:(1)C、N和O在Fe(111)表面上都是强化学吸附,O在低覆盖度下容易吸附,而C、N在比较宽的覆盖度范围内都容易吸附。(2)铁的碳化物最容易形成,Fe3N也比较容易生成,其次为Fe4N、FeN和Fe2N,随N含量增加,形成能降低。奥氏体的含氮固溶体比铁素体的含氮固溶体容易形成。(3)Fe2-3(C、N)比Fe2-3N的形成能低,少量的C能促进氮化物的形成。(4)C、N和O容易在铁的八面体间隙聚集和扩散,C、N、O三元素中,N的扩散激活能最小,过量C的渗入使N的扩散激活能增加。 空气-有机液体离子氮碳氧共渗工艺包括活性原子的产生、原子与表面的反应和原子向试样内部扩散三个互相制约、紧密联系的过程。其中活性原子的产生是控制步骤。本文提出的空气-乙醇离子氮碳氧共渗工艺,具有推广应用价值。


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