304奥氏体不锈钢低温等离子体氮化及耐磨性能研究

论文摘要

奥氏体不锈钢具有强度高、韧性好、耐蚀性强等综合优点,被广泛地应用在石油、化工、制药、食品等工业中。但它的硬度较低,只有HV260左右,而且耐磨性能差,在一些场合很难满足使用要求,限制了其使用范围。人们一直在寻求各种方法,以提高其硬度和耐磨性能。其中氮化是提高奥氏体不锈钢摩擦学性能最广泛使用的表面技术之一。近20年来,等离子体氮化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,等离子体氮化已成为不锈钢表面强化方法较好的选择。但是由于氮化后氮化层中CrN的形成等原因导致固溶体中贫铬,降低了腐蚀性能。本文采用ICP低温等离子体氮化方法,获得了没有铬析出的渗氮层γ。,使奥氏体不锈钢表面硬度和耐磨性得到提高,同时耐蚀性没有恶化。结合目前人们往往只注重成膜质量与放电宏观参数之间的关系,如气体压强、放电电压、电流、放电频率等,而忽略等离子体的微观参量,如离子密度、离子温度、电子密度、电子温度等。本文主要从离子流密度角度,说明其对氮化的影响。主要研究了离子束流密度对偏压、工作压力、硬度和摩擦系数的影响,确定最佳氮化工艺,以达到不锈钢表面改性目的。实验中采用X射线衍射（XRD）和OES方法进行物相结构分析和光谱监测,同时运用显微硬度计和磨损试验对试样的表面硬度及耐磨性进行分析。研究表明,采用低温等离子体氮化方法得到氮化层的最佳工艺参数为：N2流量：10sccm;射频功率：80W；工作压力：10Pa；偏压：-500V；工作时间：2h。该工艺制备下的氮化层表面颗粒细小均匀,硬度达850HVo.025左右,耐磨性提高。随着离子束流密度增大,氮化效果越好,其中N2*和N2+在氮化过程中起主导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 不锈钢概述
• 1.2.1 奥氏体不锈钢的特点及应用
• 1.2.2 奥氏体不锈钢表面改性技术的研究现状
• 1.3 等离子体氮化技术
• 1.3.1 等离子体定义
• 1.3.2 等离子氮化原理
• 1.3.3 等离子氮化特点
• 1.4 低温等离子体氮化技术
• 1.4.1 低温等离子氮化原理与装置
• 1.4.2 国内外低温等离子体氮化技术研究现状
• 1.5 课题研究的目的和内容
• 第2章 实验设备和实验方法
• 2.1 ICP等离子体表面改性系统
• 2.1.1 真空抽气系统
• 2.1.2 ICP表面改性反应室
• 2.1.3 检测组件
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 氮化实验
• 2.2.3 摩擦实验
• 2.3 分析测试方法
• 2.3.1 X射线衍射仪（XRD）
• 2.3.2 毫安电流表
• 2.3.3 EPP2000型光谱仪
• 2.3.4 金相显微镜
• 2.3.5 扫描电子显微镜
• 2.3.6 显微硬度计
• 2.3.7 摩擦磨损试验机
• 第3章 低温等离子体氮化工艺参数与离子流密度关系
• 3.1 引言
• 3.2 低温等离子体氮化最优工艺参数的确定
• 3.2.1 低温等离子体氮化中样片效果的研究
• 3.2.2 低温等离子体氮化中工作压力的初定
• 3.2.3 低温等离子体氮化中最优偏压的确定
• 3.2.4 低温等离子体氮化中工作时间的确定
• 3.2.5 低温等离子体氮化中工作压力的验证
• 3.2.6 小结
• 3.3 不同工艺参数与离子流密度的关系
• 3.3.1 离子流密度
• 3.3.2 负偏压与离子流密度的关系
• 3.3.3 硬度与离子流密度的关系
• 3.3.4 负偏压与硬度的关系
• 3.3.5 工作压力与离子流密度的关系
• 3.3.6 工作时间与离子流密度的关系
• 3.4 OES监测N等离子体状态
• 3.4.1 负偏压对等离子体特征谱线强度的影响
• 3.4.2 工作压力对等离子体特征谱线强度的影响
• 3.4.3 最优工艺参数下等离子体特征谱线研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 低温等离子体氮化耐磨性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 工艺参数对氮化层摩擦系数的影响
• 4.2.1 负偏压对氮化层摩擦系数的影响
• 4.2.2 工作压力对氮化层摩擦系数的影响
• 4.3 工艺参数对氮化层磨损形貌的影响
• 4.3.1 负偏压对氮化层磨损形貌的影响
• 4.3.2 工作压力对氮化层磨损形貌的影响
• 4.4 离子流密度对氮化层耐磨性能的影响
• 4.4.1 离子流密度对摩擦系数的影响
• 4.4.2 离子流密度对磨痕宽度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢