40Cr钢氮气—甲烷离子氮碳共渗工艺及机理的研究

论文摘要

工程上绝大多数零件的失效都是从表面开始的,开发新的表面强化技术对于提高机械零件的使用寿命具有重要的意义。离子渗氮技术由于渗氮层性能好、生产周期短、工件变形小等优点,在工业生产上得到广泛的应用。研究和开发以离子渗氮为基础的复合工艺,节能降耗、减少污染,是当前该领域的一个热点。本文从减少环境污染出发,用氮气取代常用的氨气,以氮气-甲烷混合气体作为气源,探讨在工业生产中广泛应用的离子软氮化工艺。采用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、MRH-3型磨损试验机、电化学性能分析测试仪等实验手段,分析测试了40Cr钢经氮气-甲烷离子氮碳共渗工艺处理后的成分、组织、结构、性能,并与常规离子渗氮进行了比较。对氮气-甲烷离子氮碳共渗的机理进行了初步分析讨论。结果表明:①4 0Cr钢经氮气-甲烷离子氮碳共渗后,显微组织与常规离子渗氮相似,由化合物层、扩散层和基体三部分组成。②在同样的氮气-甲烷流量比下,试样表层的硬度随着试验电压的降低而递减;在同一试验电压下,随着甲烷流量的增大,试样表层的硬度显著增加,所获得的渗层也较深。③经氮气-甲烷离子氮碳共渗处理后,40Cr钢共渗层的氮化物以ε-Fe3N为主,随着工艺参数的变化,还可能出现Fe2N、Fe4N和Fe3C相。无论耐磨性还是耐蚀性,都以ε- Fe3N相性能最佳。④甲烷离解产生的活性碳原子,为渗碳提供了物质前提,加速了表面氮化物的形核;离解产生的H·充当“炮弹”作用,不仅去除钝化膜且活化工件表面,更重要的是碰撞时将自身的大部分能量传递给氮分子,使氮分子离解成活性氮原子,大大降低了活性氮原子产生的电压门槛值。⑤氮气-甲烷的离子软氮化工艺是可行的,且工作环境好,污染小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 等离子体概念
• 1.1.1 等离子体定义
• 1.1.2 等离子体分类
• 1.1.3 低温等离子体的基本性质
• 1.1.4 低温等离子体的产生
• 1.1.5 辉光放电
• 1.2 离子渗氮工艺的发展
• 1.3 离子渗氮模型
• 1.3.1 阴极溅射模型
• 1.3.2 分子离子NHj+模型
• 1.3.3 中性氮原子模型
• 1.3.4 碰撞离解模型
• 1.4 离子渗氮的优缺点及使用范围
• 1.4.1 离子渗氮优点
• 1.4.2 离子渗氮缺点
• 1.4.3 使用范围
• 1.5 离子渗氮的新进展
• 1.6 本课题研究的内容
• 1.7 本课题的目的和意义
• 2 试验内容及方法
• 2.1 试验材料及试样制备
• 2.1.1 试验用钢的选择
• 2.1.2 预备热处理
• 2.1.3 试样的制备
• 2.2 离子渗氮设备与工艺操作程序
• 2.2.1 离子渗氮炉
• 2.2.2 工艺过程及操作
• 2.3 离子氮碳共渗试样测试分析方法
• 2.3.1 显微组织观察
• 2.3.2 显微硬度测定
• 2.3.3 X 射线衍射分析
• 2.3.4 能谱分析
• 2.3.5 摩擦磨损试验
• 2.3.6 耐腐蚀性能测试
• 3 40CR 钢离子氮碳共渗工艺的研究
• 3.1 纯氮离子氮碳共渗工艺的提出
• 3.2 氮气-甲烷离子氮碳共渗工艺参数
• 3.3 试验结果与分析
• 3.3.1 显微组织
• 3.3.2 共渗层的显微硬度
• 3.3.3 共渗层的物相组成
• 3.3.4 共渗层的氮碳元素分布
• 3.3.5 共渗层的耐磨性
• 3.3.6 共渗层的耐腐蚀性
• 4 讨论
• 4.1 氮碳共渗工艺对组织结构的影响
• 4.2 共渗层的脆性
• 4.3 共渗层的耐磨性
• 4.4 共渗层的耐蚀性
• 4.5 氮气-甲烷离子氮碳共渗机理
• 4.5.1 甲烷气体的离解
• 4.5.2 活性氮原子的产生
• 4.5.3 混合等离子体的相互作用
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录