（流体机械及工程专业论文）奥氏体不锈钢低温离子渗氮及碳氮共渗工艺研究.pdf

。”。 y ， 、f、 r - 。v 一一 at h e s i si nf l u i dm a c h i n e r ya n d e n g i n e e r i n g s t u d yo n t h et e c h n o l o g yo fp l a s m an i t r i d i n g a n dp l a s m an i t r o c a r b u r i s i n go fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e li nt h el o w l e m p e r a t u r e b yg u oy u a n y u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gy i c h e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，；夕 v，v j l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ， 思。 土 学位论文作者签名： 孑陟毛 i 日 期： 2 口口罗7 。易 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 如 、仆：-7 伊好泐加吼黧导签 口 、1 一，l 一 利 元 一 ， 陇。 未v 年 名乳 硇 獬蚰 一 糙勘 ，i 口 文飙 半 位字 学鍪 、 。 一 - 东北大学硕士论文摘要 奥氏体不锈钢低温离子渗氮及碳氮共渗 工艺研究 摘要 本文首先对奥氏体不锈钢低温离子渗氮课题研究背景、内容及意义和国内外发展情 况及研究现状进行了描述。然后分析了离子渗氮的基本原理、基本概念和离子渗氮同其 它渗氮方法以及奥氏体不锈钢强化方法相比较的优点。实验采用自行改造的辉光脉冲离 子渗氮炉。试样材料为a i s l 3 0 4 奥氏体不锈钢，表面抛光并清洗干净，离子渗氮时将试 样平放在真空室内阴极盘上，为了更准确测量并控制处理温度，将柔性热电偶的端部绝 缘并与试样表面接触。实验研究了低温下不同氮势离子渗氮过程以及改变试样离辅助阴 极距离时离子渗氮特点；并且研究了低温下不同碳含量时离子碳氮共渗工艺并比较了n t ( 离子渗氮) 、n t + n t c ( 离子渗氮+ 离子碳氮共渗) 和n t c ( 离子碳氮共渗) 不同工艺 的特点。 采用x r d 进行渗层的相组成的分析、用s e m 和金相显微镜进行了渗层表面形貌的观 察、用显微硬度计测量渗层显微硬度、用金相显微镜观察横截面形貌并计算出渗层厚度、 用摩擦磨损试验机来测量渗层耐磨性能、用辉光放电光谱仪( g d s ) 对渗层内不同深度 的c 、n 含量的变化规律进行分析、用电化学腐蚀试验来检测渗层的耐腐蚀性能。 实验研究结果表明：奥氏体不锈钢低氮势离子渗氮更有利于单一s 相的形成，而高 氮势的条件下更易形成氮的化合物。随着氮势的提高，渗氮层表面显微硬度、渗层深度 可以成倍提高，耐磨性能也有所提高：奥氏体不锈钢经过增设辅助阴极离子渗氮后硬度 明显增加，并且随着辅助阴极离试样距离的减小，硬度先因氮的固溶增加再因化合作用 有所降低。表面粗糙度值逐渐增加。渗氮层的深度明显增加，当试样离辅助阴极距离为 5 m m 和l o m m 时，渗层厚度成倍增加：奥氏体不锈钢低温离子碳氮共渗的渗层内氮和碳的 最大含量分别出现在不同的深度，碳原子被氮挤入渗层内部，扩大了渗氮层深度。渗层 深度和硬度最大值出现在c ：h 2 含量为3 时，当c ：h ：继续增加到5 ，由于碳的饱和，导 致渗氮层变薄，渗层深度减小，同时硬度降低；n t 处理硬度梯度大，而n t + n t c 和n t c 处理能够很好改善渗层的硬度分布，提高了渗层抗载荷能力：n t + n t c 和n t c 处理后渗层 内氮和碳的最大含量分别出现在不同的深度，碳原子被氮挤入渗层内部，扩大了渗层深 度。 关键词：低温离子渗氮；低温离子碳氮共渗；奥氏体不锈钢；氮势；辅助阴极 l i ，、 i i ， 东北大学硕士论文 a b s t r a c t s t u d yo nt h et e c h n o l o g yo fp l a s m an i t r i d i n ga n d p l a s m a n i t r o c a r b u r i s i n go f a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li nt h el o w t e m p e r a t u r e a b s t r a c t t h i sa r t i c l e f i r s t l yd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d ，t h ec o n t e n ta n dt h em e a n i n ga n dt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es i t u a t i o na r o u n dd o m e s t i ca n df o r e i g na b o u tp l a s m an i t r i d i n g t h e ni ta n a l y s i s e st h eb a s i cp r i n c i p l e s ，b a s i cc o n c e p t sa n dt h es u p e r i o r i t yo fp l a s m an i t r i d i n g w i t ho t h e rn i t r o g e nm e t h o d sa n dp l a s m an i t r i d i n gs t r e n g t h e no ft h em e t h o d t h eg l o wp u l s e p l a s m an i t r i d i n gf u r n a c ew i t ht h e i ro w nw a su s e di nt h ee x p e r i m e n t t h em a t e r i a lo ft h e s a m p l ei st h ea i s i3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la n dt h es u r f a c ew a sp o l i s h e da n dc l e a n e d b e f o r et r e a t m e n t ，a n dt h e nt h es a m p l ew a sf l a t t e do nt h ec a t h o d ei nt h ev a c u u mc h a m b e r d u r i n gt h ep l a s m an i t r i d i n g i no r d e rt om o r ea c c u r a t e l ym e a s u r ea n dc o n t r o l t h et r e a t m e n t t e m p e r a t u r e ，f l e x i b l et h e r m o c o u p l ew i t ht h ee n do ft h ei n s u l a t i o nw a s u s e da n dc o n t a c tw i t h t h es a m p l es u r f a c e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ep o t e n t i a lo fd i f f e r e n tn i t r o g e ni nt h el o w t e m p e r a t u r ea n dc h a n g ed i s t a n c e sf r o mt h ea u x i l i a r yc a t h o d ei nt h ei o nn i t r i d i n gp r o c e s sw i t h t h eg l o wp u l s e dp l a s m an i t r i d i n gf u r n a c e ；i ta l s or e s e a r c ho nt h ec a r b o nc o n t e n ta td i f f e r e n t i o nc a r b o n i t r i d i n gt e c h n o l o g yi nt h el o wt e m p e r a t u r ea n dc o m p a r et h et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h en t ( n i t r i d i n g ) ，n t + n t c ( n i t r i d i n g + c a r b o n i t r i d i n g ) a n dn t c ( c a r b o n i t r i d i n g ) t e c h n o l o g y t h ep h a s ec o m p o n e n to ft h em o d i f i e dl a y e r sw e r es t u d i e db ym e a n so fx r d ；t h es u r f a c e o fm o r p h o l o g yo fm o d i f i e dl a y e r sw e r ee x a m i n e db ys e ma n d ；t h eh a r d n e s so fn i t r i d e d l a y e r sw e r et e s t e db ym i c r o h a r d n e s st e s t e r ；t h ec r o s ss e c t i o n sm o r p h o l o g ya n dt h et h i c k n e s s o fm o d i f i e dl a y e r sw e r em e a s u r e db ym e t a l l o s c o p e ；t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ew e a l r e s i s t a n c ew e r em e a s u r e db yw e a rt e s t e r ；t h ec o m p o n e n t so fna n dci nt h ed i f f e r e n td e p t h w e r et e s t e db yg l o wd i s c h a r g es p e c t r o m e t r y ( g d s ) a n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fm o d i f i e d l a y e r sw e a rt e s t e db ye l e c t r o c h e m i c a l t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：sp h a s ef o r m e de a s i l ya tl o w e rn i t r o g e np o t e n t i a lc o n d i t i o nb u t n i t r i d ep r e c i p i t a t e sa th i g h e rn i t r o g e np o t e n t i a lf o ra u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l t h er e s u l tr e v e a l e d t h a tn i t r i d e dl a y e rm i c r o h a r d n e s sa n dt h i c k n e s so ft h en i t r i d e ds a m p l e sa r ei n c r e a s e dr e g u l a r l y a st h en i t r o g e np o t e n t i a li n c r e a s e d t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fm o d i f i e dl a y e r si sa l s ob e t t e r t h a nt h eu n m o d i f i e dl a y e r s ；t h eh a r d n e s si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l i i i r-if-0l一 h a r d n e s sg r a d i e n t ，b u tn t + n t ca n dn t ct r e a t m e n th a v em o r ef a v o r a b l eh a r d n e s sg r a d i e n t ， t h el o a dc a p a c i t yo fm o d i f i e dl a y e r sa r ei n c r e a s e d t h em a x i m u mna n dcc o n t e n ti nt h el a y e r a l ei n t h ed i f f e r e n td e p t h ，c a r b o na t o m sa l ec r o w d e di n t e r n a lb yn i t r o g e na n de x p a n dt h e n i t r i d i n gd e p t h k e yw o r d s ：l o w t e m p e r a t u r ep l a s m an i t r i d i n g ；l o w t e m p e r a t u r ep l a s m ac a r b o n i t r i d i n g ； a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；n i t r o g e np o t e n t i a l ；a u x i l i a r yc a t h o d e i v 11i 东北大学硕士论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i l i 、 第1 章概述1 1 1 课题研究背景1 1 2 奥氏体不锈钢离子渗氮课题内容及研究意义1 1 3 离子渗氮设备发展历程2 1 4 国内外离子渗氮技术的发展历程2 1 5 国内外奥氏体不锈钢渗氮研究状况3 第2 章离子渗氮理论7 2 1 离子渗氮的基本概念7 2 2 离子渗氮基本原理8 2 3 离子渗氮较其他渗氮方法的优点。9 2 3 1 气体渗氮9 2 3 2 盐浴渗氮9 2 3 3 离子渗氮1 0 2 4 离子渗氮常用工艺1 2 第3 章实验设备及测试方法- 1 3 3 1 实验设备1 3 3 1 1 设备参数1 3 3 1 2 脉冲电源等离子体渗氮技术特点1 5 3 2 离子渗氮分析测试方法1 6 3 2 1 扫描电子显微镜( s e m ) 1 7 v 、， 厂，lki、 r 3 2 2x 射线衍射仪( x r d ) 1 7 3 2 3 摩擦磨损试验机1 8 3 2 4 金相显微镜1 9 3 2 5 显微硬度计2 0 3 2 6 辉光放电光谱仪2 0 3 2 7 色差仪2 1 3 2 8 电化学工作站2 2 第4 章氮势对奥氏体不锈钢离子渗氮性能影响2 3 4 1 实验过程2 3 4 2 实验结果与分析2 4 4 2 1 x r d 检测渗层内部晶体组织结构”2 4 4 2 2 显微硬度”2 5 4 2 3 金相检测2 6 4 2 4 摩擦磨损。2 8 4 2 5 粗糙度测试2 9 4 2 6 色差分析2 9 4 2 7s e m 观察表面形貌3 0 ：4 2 8 电化学测试3 1 4 3 j 、结3 3 第5 章辅助阴极对离子渗氮性能的影响3 5 5 1 实验过程。3 5 5 2 实验结果与分析3 5 5 2 1 显微硬度测试3 6 5 2 2 粗糙度测试3 7 5 2 3 金相及厚度3 8 5 3 ，j 、结”3 9 第6 章碳含量对a i s l 3 0 4 奥氏体不锈钢离子碳氮共渗性能的影响 ”4 1 v i ： 东北大学硕士论文目录 6 1 实验过程4 l 6 1 1 截面形貌测试4 2 6 1 2 内部晶体组织结构检测4 2 6 1 3 显微硬度测试4 2 6 1 4 渗层成分定量分析4 2 6 1 5 耐腐蚀性能测试4 2 6 2 实验结果分析4 3 6 2 1 渗层内部晶体组织结构4 3 6 2 2 金相检测4 4 6 2 3 渗层g d s 成分测试4 6 6 2 4 渗层硬度测试4 7 6 2 5 渗层电化学测试4 7 6 3 _ 、结4 9 第7 章a i s l 3 0 4 奥氏体不锈钢n t 、n t c + n t 和n t c 表面硬化处 理5 0 7 1 实验过程5 0 7 2 实验结果分析5 1 7 2 1x 射线衍射检测渗层内部晶体组织结构5 1 7 2 2 金相检测5 2 7 2 3g d s 分析渗层成分5 3 7 2 4 显微硬度5 4 7 3 小结5 5 第8 章结论和建议5 6 8 1 结论：，5 6 8 1 1 氮势对奥氏体不锈钢离子渗氮性能的影响5 6 8 1 2 辅助阴极对离子渗氮性能的影响。5 6 8 1 3 碳含量对a i s l 3 0 4 奥氏体不锈钢离子碳氮共渗性能的影响。5 7 8 1 4 a i s l 3 0 4 奥氏体不锈钢n t 、n t c + n t 和n t c 表面硬化处理5 7 8 2 建议：5 8 v h 东北大学硕士论文目录 8 2 1 机理认识的缺乏5 8 8 2 2 离子渗氮均匀性问题5 8 8 2 3 粗糙度和色差改变问题5 8 参考文献5 9 致谢6 5 硕士期间发表的论文6 6 东北大学硕士论文第1 章概述 1 1 课题研究背景 第1 章概述 奥氏体不锈钢有很好的抗蚀性。因此广泛用于化学、食品、纺织、发电、煤矿和 海洋等工业，但它硬度低、不耐摩擦和磨损，大多数不锈钢零部件，由于严重磨损而过 早失效，因此，生产应用中要求它具有高的耐蚀性和摩擦抗力。近十年来，在改善其表 面性能方面进行了多方努力，以期提高表面硬度和抗擦伤性。然而。大多数情况是随着 表面硬度的提高，耐腐蚀性能下降。离子渗氮技术的发展和完善为不锈钢表面硬化开创 了重要的技术途径，特别是低温离子渗氮已成为不锈钢、钛及其合金表面强化方法的较 好选择。 现在的解决办法是用p v d 方法在不锈钢零件表面镀膜，如t i n 、t i c n 、t i c 、c r n 卅 等，可以提高表面硬度，但是存在膜基界面，容易剥落；传统的离子渗氮方法在提高表 面硬度的同时，降低了材料的耐腐蚀性，且使表面粗糙度大大提高啼州；离子注入虽然可 以强化表面鹏叫引，但注入层太薄，且设备复杂，注入效率低，不利于工业化生产。针对 奥氏体不锈钢零件的特点和现实需求，急需开发其表面硬化技术的工艺和设备，在保证 不锈钢表面耐腐蚀性能、表面粗糙度和光泽的基础上，提高其表面硬度，耐磨性和抗擦 伤能力，并逐渐形成产业化生产。 1 2 奥氏体不锈钢离子渗氮课题内容及研究意义 本课题来源于深圳国家8 6 3 计划材料表面工程技术研发中心申请的广东省科技计划 项目，课题名称是奥氏体不锈钢低温离子渗氮及离子碳氮共渗工艺研究。 不锈钢的有较好的耐腐蚀性，但是其硬度和耐磨性不够好，目前有用涂层技术解决 抗磨损问题的，但有脱膜风险，因此我们考虑用低温下等离子渗氮方法解决抗磨损问题， 在不降低耐腐蚀性的情况下提高其硬度和耐磨性，对奥氏体不锈钢采用低温离子氮化处 理，以奥氏体不锈钢零件为应用对象，开发离子渗氮硬化和后处理工艺。研究利用柔性 热电偶严格控制基片温度，预采用降低温度、改变氮势、增加辅助阴极和通入乙炔气体 等方法减小奥氏体不锈钢薄壁件在离子渗氮过程中的变形、黑层、耐腐蚀性能下降等 问题。从而获得高硬度、好的耐磨性能和耐腐蚀性能的离子渗氮工艺。 - 1 - 第1 章概述 1 3 离子渗氮设备发展历程 现代工业生产中，为满足零件的大批量处理、零件的体积和重量大、渗氮表面质量 要求高的需求，离子渗氮设备采用了新型电子元件以及微机控制技术。近年来，工业上应 用的大型离子渗氮设备的最大直流电流达5 0 0 a ，甚至达1 0 0 0 a 。离子渗氮设备采用晶闸 管元件制成可调整流电源，随着晶闸管、电力电子器件的应用，加大了功率，方便了控制， 而i g b t 器件的应用，使电源和控制得到了进一步提高。 脉冲电源的发展，解决了带有小孔、窄缝的零件的离子渗氮的困难。由于电子器件 的改进，系统的可靠性大大提高，目前脉冲频率可高达几万赫兹，最大电流可达4 0 0 a 。数 字控制技术的应用改变了原来比较烦琐的调试，增加了电源的稳定性和可靠性。 离子渗氮炉炉体也有新的发展，除己经广泛使用的水冷炉壁外，还出现了多种保温、 加热、交换气体冷却和可控空气强迫冷却等各种形式的炉体，进一步提高了离子渗氮均 匀性和表面质量。t 型炉体的出现，方便了零件的吊挂和长件内孔的处理。 1 4 国内外离子渗氮技术的发展历程 自1 9 3 0 年德国b b e r g h a u s 和美国j e g a n 先后提出在气体放电中进行钢铁渗氮 的方案取得专利至今，已有7 0 多年的历史。由于那时未能解决大电流辉光放电条件下 稳定工作的问题，致使这一方法在发表后的3 0 年问迟迟没有在工业生产上应用。2 0 世 纪6 0 年代初，随着电子技术的发展和对离子渗氮技术研究的深化，以及灭弧技术和阴 极输电结构等难题的突破，离子渗氮工艺日趋成熟，从而也为其工业应用铺平了道路。 1 9 6 3 年美国通用电器公司开始在重型动力机械零件上采用离子渗氮工艺。1 9 6 7 年原联 邦德国克罗克诺尔离子工程有限公司也开始进行离子渗氮的专业生产，除承揽德国及欧 洲大陆离子渗氮零件的业务外，还进行了大量的工艺与设备研究。1 9 7 3 年开始生产离子 渗氮炉设备，并对外销售，促进了离子渗氮技术的普及。从7 0 年代开始，中国、日本、 法国、前苏联等国也开展了研究和应用。8 0 年代以后，离子渗氮在渗氮方法中的比例逐 年增加，欧洲各国采用离子渗氮的零件数量与各种渗氮方法的比例达2 5 以上( 其他气 体渗氮2 5 ，气体氮碳共渗3 0 ，盐浴渗氮1 0 - 2 0 ) 。法国差不多每天有3 万个零 件在进行离子渗氮处理。9 0 年代，随着电子器件的飞速发展，以及大功率元件、微机智 能控制系统在设备上应用，批量、大型和精密零件的离子渗氮都进入了稳定的工业生产。 我国于1 9 6 7 年开始试用离子渗氮，1 9 7 1 年后，一些科研单位、大专院校和工厂先后投 2 东北大学硕士论文第1 章概述 入人力物力，开展离子渗氮方面的研究和应用。1 9 7 7 年4 月当时的第一机械工业部组织 召开了全国离子渗氮交流会，促进了离子渗氮技术在中国的迅速发展。我国自改革开放 以来，通过企业的重组和根据市场的要求，逐渐形成了为数不多的几家离子渗氮设备生 产厂，不少城市调整布局，停用了一些设备，开设一些专业离子渗氮处理工厂，承接此 类工艺处理业务。同时也有引进国外先进技术和资金，成立了等离子技术的合资公司， 生产微机控制全自动离子渗氮设备，并对各种零件进行离子渗氮处理，促进了我国离子 渗氮技术的发展。离子渗氮的发展历史证明，等离子技术的应用有着广阔的前景。 为了克服传统离子渗氮的一些固有缺点，近些年来出现一些新的离子渗氮技术，如 活性屏离子渗氮、等离子体源离子渗氮、离子注入离子渗氮等。其中，活性屏离子渗氮 技术和等离子体源离子渗氮技术有着明显的设备和工艺优势，可能成为离子渗氮技术的 发展方向。 1 9 9 9 年，卢森堡的g e o r g e s j 发明了活性屏离子渗氮技术n 4 仃1 。该技术已获美国 专利n 引，并在活塞环等一些机械零部件上成功获得应用，由g e o r g e s 创建的p l a s m a m e t a l s a 公司也开始生产销售活性屏离子氮化处理设备。特点是：在渗氮过程中， 工件处于悬浮状态，离子轰击金属屏而不是工件本身。与常规离子渗氮相比，该技术可 以处理不同形状的工件，并能消除边缘效应以及空心阴极效应，还能方便地测量工件的 温度等。 等离子源离子渗氮也是将等离子体的产生与工件独立，不同的是该技术是在更低气 压下进行、在炉内单独配制的一个等离子体发生器，离化含氮气体进行渗氮。等离子源 有以下四种结构类型n 引：h o d 空心阴极等离子体弧源、p i g 热灯丝放电等离子体源、r f 射频等离子体源、电子束源。 等离子体浸没离子注入与等离子源离子注入应用于奥氏体不锈钢离子渗氮是在最 近l o 年间发展起来的它们的特点是将离子注入与离子渗氮相结合。在p i i i 中，等离 子体的产生依靠射频放电或者直流源放电，而p s i i 则是依靠普通灯丝放电陋矧。 l o p e z c a l l e j a sr 等人利用p i i i 方法对a i s l 3 0 4 进行渗氮。在气压为1 5 x l o q t o r r 下表面氮含量3 8 8 9 a t ，渗层深度为4 6 3um ，而表面粗糙度仅为7 n m 。 1 5 国内外奥氏体不锈钢渗氮研究状况 渗氮是改善奥氏体不锈钢摩擦性能的最广泛应用的表面工程技术。由于不锈钢中存 在强氮化物形成元素铬，因此，易于通过在渗氮层中析出铬氮化物而产生硬的表层，但 是，由于其表面存在氧化皮( 如c r ：0 3 ) ，因此采用相对较低温度下的常规气体渗氮。氮难 - 3 - 东北大学硕士论文 第1 章概述 于传输。采用在n h 3 气中的常规气体渗氮时，为了在低于6 0 0 1 2 的温度下在奥氏体不锈 钢上获得均匀的渗氮层，渗氮前须采取各种预处理，例如用酸溶液去除氧化层，或在h ： 气中加热还原氧化层。然而，在离子渗氮时，由于有强的阴极溅射作用，可有效地去除 不锈钢表面的氧化皮，因此，在温度低于4 0 0 。c 时，氮也能被有效地传输。不锈钢在 4 0 0 - 8 0 0 的等离子体中，均能成功地渗氮。 不锈钢渗氮，可形成硬度超过1 4 0 0 h v 、层厚大于2 0 0 u m 的硬化层。但是，由于氮 化层中有铬氮化物的析出。导致奥氏体基体中铬的减少。致使其耐蚀性变坏，这个问题 在八十年代未解决。z h a n g 和b e l l 开发了低温离子渗氮工艺，不锈钢在4 0 0 渗氮可获 得几十微米的硬化层。此硬化层不仅有高的硬度，也有好的耐腐蚀性，其耐蚀性与未处 理的不锈钢相似。从此，有不少研究人员在进行不锈钢的低温离子渗氮研究。目前， 该工艺在欧洲大量应用，并在工程中起着重要作用。 如下表1 1 是国外在商业上应用的不锈钢低温渗氮和渗碳实例： 4 东北大学硕士论文第1 章概述 表1 1 商业上应用的不锈钢低温渗氮和渗碳过程 t a ble1 1l o w t e m p e r a t u r en i t r i d i n ga n dc a r b u r i z i n go fs t a i n l e s ss t e e lp r o c e s si nb u s i n e s sa p p l i c a t i o n 日本西铁城钟表股份有限公司使用气体渗碳的方法对奥氏体不锈钢进行硬化处理， 得到了良好的效果，该技术主要应用在手表表壳、表带上凹1 。先对不锈钢进行氟化处理 去掉表面钝化层，然后在低温下气体渗碳，之后辅助滚磨的技术。使硬度达到5 0 0h v o 晒 以上，且不影响不锈钢的耐腐蚀性能。 英国的b o d y c o a t 公司采用l p c + h p g q ( 真空渗碳和高压气淬) 或c o r r i d u r ( 气 体软氮化) 技术处理奥氏体不锈钢已经应用众多领域中。能够实现提高表面抗摩擦性能， 包括复杂零件的内部小孔，防止划伤并保持耐蚀性和非导磁性；表面硬度 1 0 0 0 - 1 2 0 0 h v 0 艄渗层厚度可以按照要求调节。 总之，国外在不锈钢离子渗氮研究上已经进入商业应用领域，产品已经进入各个领 域，对传统的渗氮设备有了较大的改进。 中国科学院兰州化学物理研究所薛群基院士领导的小组与法国t r o y e s 技术大学吕 坚教授( 现在香港理工大学) 合作研究的最新结果“表面机械研磨纳米化对a i s l 3 2 1 不锈 钢等离子渗氮结构与性能的影响”这项研究发现啮3 ，用表面机械研磨( s m a i ) 纳米化处理 具有广泛工程应用的合金材料奥氏体不锈钢，其表面产生了纳米晶结构的改性层在较低 的温度下用脉冲直流辉光等离子技术对不锈钢进行渗氮处理，与没有纳米化处理的试样 相比，纳米化处理显著地增强了不锈钢的渗氮效果，有效地降低了渗氮温度，获得了厚 - s 东北大学硕士论文第1 章概述 的渗氮层及更高的表面硬度同时，表面纳米化预处理解决了不锈钢渗氮层浅脆性大的问 题其耐磨性能提高了3 1 0 倍，负荷承载能力也有显著提高。 哈尔滨工业大学田修波等利用浸没式高频高压等离子体渗氮技术对s u 3 0 4 奥氏体 不锈钢进行了低温渗氮处理。在3 0 0 2 5 h 处理条件下获得了o 3pm 厚的高氮层， 表面显微硬度较未处理的样品明显提高汹1 。 大连理工大学的雷明凯教授采用电子回旋共振( e c r ) 微波等离子体源离子渗氮技术 对奥氏体不锈钢进行氮化处理。川，同时雷明凯等还对奥氏体不锈钢离子渗氮表面改性后 耐腐蚀性能做了系统的研究o n 嗡1 。 赵程教授利用低压等离子体辉光放电技术对a i s l 3 1 6 奥氏体不锈钢进行低温离子软 氮化硬化处理。处理后的奥氏体不锈钢属于一种无氮化铬或碳化铬析出的氮和碳的过饱 和固溶体( s 相结构) 。这种渗入钢中的过饱和氮和碳元素引起奥氏体晶格发生畸变，使 渗层的硬度和耐磨性都有较大幅度的提耐州。 华南理工大学机械工程学院的徐建等提出了铬离子淹没离子渗氮既能够有效的对 奥氏体不锈钢进行表面强化汹1 ，又能够保持奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能。经过铬离子淹 没离子渗氮处理的a i s l 3 1 6 奥氏体不锈钢可以得到较好的渗层组织，表层的铬的质量百 分比达到6 5 以上，比基体铬含量提高了3 倍以上，并具有良好的耐蚀性。 总之，我国目前虽然对中、高碳合金钢的渗氮有较多的研究，但在奥氏体不锈钢离 子渗氮层相结构与渗层韧性、耐磨性关系方面的研究甚少，一定程度影响离子渗氮在奥 氏体不锈钢上的广泛应用，几乎没有成熟商业运用技术。 6 东北大学硕士论文第2 章离子渗氮理论 第2 章离子渗氮理论 2 1 离子渗氮的基本概念 离子渗氮又称辉光渗氮或离子氮化，在真空炉体内通过稀薄气体放电，形成由离子、 电子和中性粒子所构成的局部电离状态( 即等离子体辉光放电原理) 中进行的。把金属工 件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳 极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰 击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面 产生溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。 等离子体表面处理不同于其它表面处理技术，它利用辉光放电现象来激活各种特殊 工艺所需的气源。激活气体源会产生一些重要的结果： ( 1 ) 等离子体处理能够较好地控制工件表面最终的成分，结构和性能。例如，等离子 体渗氮处理可以不形成混合相和化合物区，材料也不发生脆化。等离子体渗氮处理的温 度低于常规渗氮温度，从而最大程度的保持了心部材料的性能。 ( 2 ) 辉光放电可使处理在较低的表面温度下进行，并具有较快的沉积速率。例如，等 离子体渗碳是通过增加碳的扩散速率来缩短处理时间，而不是仅仅依靠提高处理温度， 这样就避免了工件变形的可能性。有证据表明，能够较快地在首先被辉光放电溅射清洗 的工件表面上沉积富碳的表面层。辉光放电可靠地形成高的碳浓度梯度，而不产生碳黑， 并且在每个特定的工件表面温度下，都能促进碳浓度的快速扩散。 ( 3 ) 等离子体处理可在低压混合气体源中得到所需的活化元素，因而能排除昂贵的后 清洗工序和严重的环境问题。 由辉光放电等离子体产生阳离子的渗氮使材料生成耐磨损，抗疲劳，抗腐蚀和硬质 的表面层，是有效的表面处理方法。它适合于铸铁合金钢：在某些特殊情况下也适合于 有色金属材料。等离子体处理降低了芯材的价格同时改善材料表面的冶金质量。低温溅 射可去掉工件表面的污染物，并缩短表面处理时间。由于等离子处理炉释放的气体一搬 是无毒和非爆炸性的，并能直接排放至户外，所以等离子体处理能够解决环境污染问题。 7 一 东北大学硕士论文 第2 章离子渗氮理论 2 2 离子渗氮基本原理 离子渗氮是在低温等离子体中进行的，各种高能离子、高能电子以及高能中性原子 等粒子的存在决定了离子渗氮的复杂性。目前公认的理论观点大致有如下四种：溅射和 沉积理论，氮氢分子离子化理论，中性原子轰击理论，活性氮原子碰撞离析理论。 溅射理论。这是一种为许多人所接受( 或默认) 的经典理论，该理论于1 9 6 5 年由 j k o l b e l 提出。该理论认为，渗氮层是通过阴极溅射反应而形成。在真空炉体内，工件 为阴极，炉体为阳极，加上直流高压后，稀薄气体电离，形成等离子体。n + 、h + 、n h 。+ 等正离子在阴极位降区被加速，轰击工件( 阴极) 表面，其动能消耗于：其一，转化为 热能加热工件；其二，打出电子，产生二次电子发射；其三，阴极溅射。当等离子体被 用做作氮原子源，在工件表面将会产生四个重要的化学反应。 载能电子产生电离和中性的氮原子。 e 一n 2 = n + + n + 2 e 。 离化氮原子对工件表面的铁和污染元素的溅射。氮离子轰击工件表面，除去污染物， 然后被真空系统抽走。这个作用被称为溅射清洗。它除去工作表面的障碍物，有利于氮 从工作表面向心部扩散。 n + 一工件表面= 被溅射的铁和污染物 溅射的铁原子与中性氮原子形成氮化铁。虽然等离子体渗氮的主要机理涉及到铁原 子与气相氮原子，在领近工件表面处发生反应，然后作为化合物重新沉积在表面上，但是 有证据表明，溅射并不是唯一的反应机制。因为在等离子体的能量较低不足以引起溅射 时也能渗氮。 溅射的f c + n = f c n f e n 在工件表面的沉积和分解。化学反应产生的f e n 是不稳定的。在等离子体连续 的离子轰击作用下，它进一步分解成- - f e 。州和y - - f e 。n ，形成f e n 化合物区。在分 解的每一阶段，原子氮释放至等离子体，或释放至工件表面，向内部扩散并形成氮化合物 合金扩散区。 f e n _ f e n + nf c 2 n _ f e 3 n + n f e 3 f e 州+ nf c 4 n _ f e + n 利用氮作金属表面处理是一常规技术。虽然氮的惰行使它成为一种重要的保护气体，但是， 氮离化后具有很大的活性，能够参与表面处理，形成高硬度，耐磨损和抗腐蚀的氮化物。 这一模型的主要试验根据是收集急冷的溅射沉积物，分析其中的氮含量约达1 9 7 ， 于是推断是理论含量2 0 0 5 的f e n 。 8 东北大学硕士论文 第2 章离子渗氮理论 氮氢分子离子化理论。1 9 7 3 年，m h u d i s 根据4 3 4 0 钢在溅射很弱的情况下，仍然 可以得到显著硬化效果的事实得出，离子渗氮时，虽然溅射很明显，但这不是主要的控 制因素，对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化结果，并认为氮离子也能渗氮。 中性原子轰击理论。1 9 7 4 年，g t i b b e t t s 在用n 2 - h ：混合气进行离子渗氮时，于试 样外加一网状栅极，以滤掉轰向试样的正离子，只让不带电荷的中性粒子到达试样，试 验表明，在有、无栅极的状况下，渗氮效果相同，因此，他认为，对离子渗氮