純氮離子滲氮新工藝及離子滲氮機理研究.pdf

1、常規(guī)離子滲氮工藝所采用的純NH3或N2-H2混合氣體滲氮介質，在滲氮加熱過程中，氣氛中氨分解的不徹底性和H2的易燃易爆性，是生產過程中存在的一種隱患。在肯定離子滲氮技術具有顯著改善金屬材料表面性能優(yōu)勢的同時，離子滲氮工藝中介質的環(huán)保和安全問題尤其值得關注。探索能夠取代純NH3或N2-H2混合氣體、安全環(huán)保的滲氮介質，更好的發(fā)揮離子滲氮在金屬材料表面改性方面的潛力，已成為當前離子滲氮技術發(fā)展迫切需要解決的熱點問題之一。 本文基于等

2、離子體放電理論和低溫化學熱處理原理，研究了純N2、N2-H2和N2-NH3等滲氮介質在輝光放電中的離解行為和能量條件，通過對離子滲氮有關的電參數(shù)、溫度參數(shù)及壓力參數(shù)等測定，定量計算出純N2、N2-H2和N2-NH3等滲氮介質中N2+、H2+和NHj+在電場作用下獲得的電場能和不同離子滲氮介質中離解N2分子的離子臨界能，提出了純氮離子滲氮新工藝。利用顯微硬度計、金相顯微鏡和X射線衍射儀等測試手段，研究了滲氮鋼分別在不同陰極電壓和滲氮介質條

3、件下經(jīng)間歇供氣閉爐離子滲氮和常規(guī)純氨離子滲氮工藝處理后，其滲氮層的顯微組織、硬度梯度分布、相組成及其相對含量，進一步分析了ε和γ’相的調幅結構，并對離子滲氮表面氮濃度進行了計算，深入探討了離子滲氮工藝參數(shù)對活性氮原子的產生及擴散的影響和離子滲氮機理。 理論分析和實驗結果表明：(1)本文提出的純氮離子滲氮新工藝，只有采用高于電壓門檻值650V的陰極電壓進行離子滲氮，才能使N2+離子具有離解中性N2分子的臨界能48.64eV，通過N

4、2+離子與中性N2分子的非彈性碰撞離解產生活性氮原子；純氮離子滲氮新工藝除要求達到一定的工作電壓以外，間歇供氣閉爐滲氮是必備條件，否則也不能實現(xiàn)離子滲氮。(2)從理論上為了描述滲氮介質被離解的難易程度，提出了介質中離解N2分子的離子臨界能概念；為了便于工藝參數(shù)的控制，提出了與離解N2分子的離子臨界能對應的電壓門檻值。(3)純NH3、純N2、N2-H2和N2-NH3離子滲氮的滲氮層具有類似的顯微組織和相結構，主要與滲氮介質離解產生活性氮原

5、子的氣源種類、陰極電壓和氣體混合比有關。有利于離子滲氮介質離解產生活性氮原子的陰極電壓與氣體混合比的匹配，將增加表面滲氮層中高氮的ε-Fe3N相的體積百分數(shù)，提高工件的表面氮濃度和硬度，此時離子滲氮層中白亮層、擴散層和心部基體組織三部分特征非常明顯。(4)因為不同滲氮介質中入射正離子與中性粒子之間非彈性碰撞產生的能量轉換效率不同，導致滲氮介質離解難易程度和滲氮效果不同。如純氮離子滲氮中離解N2分子的N2+離子臨界能為48.64eV，電壓

6、門檻值為650V，而氮氫混合氣、氮氨混合氣中離解N2分子的H2+離子應具有的臨界能均為26.06eV，電壓門檻值為490V。(5)采用純NH3、純N2、N2-H2和N2-NH3進行離子滲氮時，其共同點是必須產生活性氮原子。N2-H2混合氣離子滲氮的活性氮原子主要來自于H2+和N2+等離子與N2中性分子的非彈性碰撞離解。N2-NH3混合氣離子滲氮的活性氮原子則主要來自于H2+和N2+等離子與N2和NH3中性分子的非彈性碰撞離解，其次是部分

7、NH3的熱激活分解。(6)因H2或NH3在電場能作用下離解產生高能H2+離子，H2+離子與中性粒子N2或(和)NH3分子發(fā)生非彈性碰撞時，其電場能轉換為中性粒子N2和NH3分子內能的效率高，故H2或NH3的加入可有效地降低離解N2分子的離子臨界能和電壓門檻值，改變了N2分子的離解機制，使N2-H2和N2-NH3混合氣介質比純氮氣體介質更容易離解產生活性氮原子。(7)離子滲氮層ε和γ’化合物相的形成，直接影響氮原子自界面向內層α相中的擴散