液相等离子体法钢材表面碳氮共渗处理的研究

长春理工大学硕士学位论文液相等离子体法钢材表面碳氮共渗处理的研究姓名夏远宇申请学位级别硕士专业物理电子学指导教师冯克成杨思泽20080401摘要针对目前钢铁材料因腐蚀与磨损造成的巨大损失这一倍受世界关注的难题,本文采用了一种较为新颖的表面处理技术一液相等离子体电解沉积技术对钢铁表面进行改性,以提高其耐磨和耐蚀性能。液相等离子体电沉积技术是一项新兴的表面处理技术,利用此技术可在多种金属及合金表面得到耐磨、耐蚀、耐热冲击、绝缘的优质膜。本文中主要对该技术中的一个分支一液相等离子体电解碳氮共渗/技术进行了研究。实验所选择的研究对象基体为号钢,采用的电源为直流高频电源,实验设备自行组建。通过大量的实验工作,对该实验的各种参数进行了深入的研究分析,并配制出了一种改良的电解液体系,可利用水解反应加快处理速度,最终得到了良好的碳氮共渗效果。经处理可在钢铁样品表面形成厚度达几十微米的膜层和碳氮渗透层。对处理后的样品进行了电镜扫描、能谱分析、耐腐蚀、表面显微硬度等测试,检测结果证明,通过液相等离子体电解碳氮共渗处理使钢铁实现了表面改性,各性能指标得到了显著提高。关键词离子沉积液相等离子体电沉积钢铁碳氮共渗电解液表面改性,/,/,长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的硕士学位论文液相等离子体法钢材表面碳氮共渗处理的研究是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名塑垒复塑学三月妇长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规定”,同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名避年月五日戛亟皇指导导师签名鎏壶葭碰箨三面第一章绪论引言钢材具有较高的强度和优良的机械加工性,在工农业生产中得到广泛的应用,它的产量已经成为个国家工业化程度的标志,但钢材有一个极大的缺点极易腐蚀,往往造成巨大的损失。据英国年估计,每年因磨损造成的损失约。亿英磅美国年估计,因磨损和腐蚀每年分别约损失亿和亿美元我国年估计,年因磨损和腐蚀造成的经济损失约为当年生产总值的“。多年来,为了减轻钢铁材料因腐蚀与磨损造成的损失,人们做了大量的研究与开发工作。除选用和研制高性能的整体钢铁材料外,鉴于腐蚀与磨损都始于材料表面,采用表面工程技术实施于材料表面以改变其耐磨、耐蚀性是材料科学工作者通常采用的办法。“。对钢铁表面进行碳/氮共渗处理可以提高其耐磨和耐腐蚀性能,气体碳/氮共渗技术是人们常用的一种表面改性技术,但该技术面临的问题是处理温度高、共渗时间太长、工件容易变形、生产效率低、反应需要在低真空的条件下进行。液相等离子体电解表厩处理技术为解决这些难题开辟了新的途径“。等离子体电解渗透技术属于等离子体电解沉积的范畴。等离子体电解沉积,是一种利用等离子体电解进行材料表面改性的新兴技术嘲。在特定的电解液中,如果阴阳两极之间的电压超过一定的范围,就会发生放电现象,这类电解可以称为等离子电解。由于气体放电,在电解液中会产生有别于固态、液态、气态的物质第四态“等离子体川”。等离子体电解沉积技术包括等离子体电解氧化和等离子体电解渗透,它们的划分是根据被处理工件材料的不同而定义的。对于、豫、等轻金属及其合金材料的处理,应用的是等离子体电解氧化又称微弧氧化技术或者阳极火花沉积,它是将、瞻、等轻金属及其合金置于处理液中,利用电化学方法,在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下,生长出原位陶瓷的一种表面处理技术”对于钢铁材料的处理,应用的是等离子电解渗透技术,是将钢铁材料置于特定的电解液中,利用电化学方法,在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下,在金属表面获得渗透强化层的一种表面处理技术。对于等离子体电解氧化技术来说被处理的工件材料作为阳极而对于等离子体电解渗透技术来说工件材料既可以作阳极也可以作阴极,他们的划分是根据电解液体系选择的不同而定的,所以等离子电解渗透技术又可细分为阳极和阴极等离子体电解渗透技术”。液相等离子体电解渗透技术是在一个开放的大气环境下、特定的电解液中进行,整体工件受热轻微,且可以在完成渗碳、渗氮、碳氮共渗处理后直接淬火,在几分钟的时间内即可获得高硬度、酬磨、耐蚀的渗透层。由于该技术有处理时间短、处理工艺简单、试用范围广、试样的前处理简单等优点,因此是一种很有应用前途的表面处理技术嘲。液相等离子体电沉积表面处理技术发展现状液相等离子体电沉积表面处理技术目前主要有两大发展方向“一是等离子体电解氧化二是等离子体电解渗透,下面将对这两种不同发展方向的技术现状进行分别阐述和介绍。液相等离子体电解氧化技术发展现状等离子体电解氧化技术作为一种新颖的表面处理技术日益受到人们的重视。由于等离子体电解氧化技术所生成的陶瓷层具有许多优异的性能,尤其是其高硬度、与基体的高结合强度,以及优异的耐磨、耐蚀、绝缘性能,特别适合于恶劣介质中摩擦副部件的使用,在军工、航空、航天、机械、纺织、汽车、医疗、电子等领域具有广泛的应用前景“。最初的等离子体电解氧化采用直流电源的模式,但是直流电源难以控制金属表面的放龟特征,不能对反应过程进行控制,只限于简单工件的处理和较薄涂层的制备。目前国内外采用的其它电源模式有脉冲直流电源、非对称交流电源、异极脉冲电流电源等电源,这些电源各自具有优缺点“。脉冲直流电源可以通过调节占空比和电压改变膜层的性质,但是容易在电极表面形成附加极化,提高了所需的电压,增加了所需能量。非对称交流电源能很好地避免电极表面形成的附加极化作用,并能通过改变正反半周电源的电容,调节正反电位的大小,扩大对涂层形成过程的控制范围,在某些大功率情况下不需要特殊升高电压。由于具有过程易于控制和节约能源的特点,非对称交流电源受到广泛应用。异极脉冲电流电源能提供更大的功率和频率变化范围,是一种颇具前途的电源,但是造价偏高。目前国内外对电源模式的研究很少,这主要受到等离子体电解氧化反应机理研究缓慢的牵制“。由于等离子体电解氧化反应受到电压、电流加载模式的重要影响,因此在弄清楚等离子体电解氧化反应机理之后,人们可以有目的的改变电压、电流加载模式以及电参数,从而产生满足特殊需求的膜层。大的频率和功率选择范围、更加自动化自勺加载模式以及具有自适应的预设电参数能力是先进电源应该具备的特点,当然这在很大程度上依赖于人们在等离子体电解氧化机理研究上所取得的突破。液相等离子体电解渗透技术发展现状液相等离子体电解渗透技术是一种新兴的表面处理技术,研究方向主要集中在等离子体电解渗氮、渗碳和渗硼技术上“。等离子体电解渗透的机理遵循扩散过程的菲克方程式,由于弧光放电和气体击穿可产生大量的处于等离子体态的活性原子,这些活性原子在电场的作用下轰击试样表面,离子注入到处理材料中,产生空位和位错,从而导致两个方面的影响一方面,工件表面的活性原子的浓度有所提高另一方面,强化了沿晶内扩散,即位错沿着与轰击表面垂直的滑移面移动,其运动的方向与饱和元素、扩散流的方向重合,从而大幅度提高材料内、原子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系数的增大,使得非金属扩散系数可提高倍,从而使和原子的扩散过程得以强化。此外,等离子电解渗透技术中等离子体是通过弧光放电产生的,具有比较大的电流密度,所以离子的轰击效应非常强烈,致使渗透的速度加快,最终实现材料表面快速固溶和化合物强化处理。目前对这项技术的研究不是很多,进行的研究也主要集中在阴极等离子体电解渗透技术上聂学渊和等人进行的研究是在尿素电解液体系下对不锈钢进行等离子体碳氮共渗处理“”等人是在甘油电解液体系下对纯铁进行等离子体电解渗碳处理“”。最近国内外从事该领域研究的学者又有了很多新的研究进展,对该技术的各种工艺参数和技术条件进行了深入的探讨和研究,例如和等人对比研究了脉冲支流电源和普通直流电源的处理结果,得出了脉冲直流电源更适合该工艺的重要结论,后来又对该工艺流程中的热处理过程进行了深入的探讨和分析,优化了热参数“”和等人尝试用含有碳、氮、硼等元素的有机溶液成功的对铸铁进行了碳、氮、硼元素的共渗“”聂学渊和等人对不锈钢表面的碳氮共渗膜层进行了从结构到性质的较为全面的分析。从目前的研究进展来看,经过等离子体电解渗透技术处理过以后,工件的耐磨损、耐腐蚀和硬度都有很大程度上的提高。另外,等离子体渗透反应时间比较短,一般分钟即可,这与它的高扩散系数有关。在微区高温高压条件下,扩散反应的活化能降低,电极表面活化性提高,对扩散物质吸附性增强,放电造成的晶体缺陷有利于整体扩散,因此它的扩散系数相对于传统的热扩散有了显著提高,非金属元素的扩散系数提高了,金属元素的扩散系数也可提高铡饿“。论文研究目的和内容本文较为全面系统的介绍了离子渗氮、渗碳和碳氮共渗的原理、设备和技术指标,并主要针对其中的一个技术分支一液相等离子体电解渗透技术进行了较为深入的研究和探索,自行设计了实验装置,并通过大量的试验实现了对号钢和铸铁进行表面碳/氮共渗的处理目标,同时提出了自己的一些见解。液相等离子体电沉积表面处理技术作为一种新颖的、极其具有应用前景的表面处理技术,受到了普遍的关注和重视,国内外都在进行积极的研究。本文中对液相等离子体电解渗透技术中的各主要工艺参数变化对处理效果的影响进行了深入的研究和探讨,分别针对电源、处理温度和电解液成分等几大主要影响因素进行了大量的实验,并对不同实验条件下的处理样品进行了多种检测分析,初步探索了在不同的电解液体系下对号钢和铸铁进行渗氮、渗碳及其碳氮共渗处理的可能性,研究的各种电解液体系的稳定性,在等离子体电解渗透过程中调整工艺参数来了解影响等离子体电解渗透层的规律分析和测试渗透层的特性和性能,并进一步探讨了等离子体电解渗透机理。沿着这一思路,本课题主要进行如下的工作内容探索不同无机盐和乙酰胺组成的电解液体系实现渗氮的可能性,利用自制的实验装置进行了实验研究。探索了应用液相等离子体电解法对号钢进行碳氮共渗能够形成共渗层的临界条件,并研究了各实验参数变化对处理效果的影响,得出了一系列重要结论。探索了电解液体系对处理效果的影响,尝试将胺类的水解反应应用到电解液中,并利用先进的检测手段对处理后的样品进行了科学分析,与通常电解液中处理所得到的样品进行对比分析,得到了很好的处理效果,初步证明水解反应可起到加快共渗层形成的作用,但溶液的稳定性有待提高。第二章离子沉积技术的原理及渗层结构和性能离子渗氮技术为了提高钢铁零件的疲劳强度、耐磨性及抗蚀能力,五十多年前就应用了气体氮化法。但是气体氮化法生产周期太长如钢为获得的渗层,需要,工件处理后表面易形成一层脆性层,以致在使用时容易产生脆性剥落。为了克。服这些缺点国内外研究并应用了辉光离子氮化法。国外对辉光离子氮化的研究始于年,但其实际应用还是最近的事。我国对辉光离子氮化的研究始于年代,年代初投入实际应用。离子氮化与以往的氮化比较有许多优点,如氮化速度比气体氮化快/节省能源及气体的消耗可以控制氮化层的结构而获得更为优越的性能离子氮化温度低变形量比气体氮化要小往往无需再磨削加工就可直接投入使用。对不锈钢、耐热钢等零件可直接离子氮化而事先不必迸行任何消除钝化处理。依据不同的使用目的能处理所有铁基材料和某些有色金属及合金如钛及钛合金,基本上没有污染问题等。其缺点是设备费用较大,目前准确测温尚未完全解决,以及不宜于大批量生产,其工艺成本仍然较高。由于离于氮化有上述独特的优点,因而受列国内外热处理行业的普遍重视,并获得飞速发展。离子渗氮原理图为离子氮化装置简图。离子氮化是在真空室内,在高压直流电场作用下进行的。氮化时,把工件置于真空室内,接上高压直流电源的负极,真空钟罩接上直流电源的阳极或于工件外围另设一阳极,氮化内孔时,则于内孔设一阳极,将真空室油气,真空度达后,充入少量氨气或氢、氮混合气调节气量,使真空室压力保持在范围,在正负极间加上高压直流电。当电压达到其一数值时,即能击穿稀薄气体,氨在高压电场作用下部分分解成、及电子,由于受激后,返回基态时的氮和氢离子产生光辐射,因此在工件表面覆盖着一层紫色悦目的辉光。辉光放电的正离子,受到电场作用向阴极移动,当它们到达阴极附近时,被强烈的电场突然加速而轰击工件表面。图离子氮化装置示意图卜供电系统真空罩真空室底板玻璃管放气俩一放气阀一型真空泵阳极阴极工件一工作台一进气管型氰流量计型水银压力计一氨调压阀氨瓶一测温头热电儡测温仪表安全罐图为离子氮化原理图被处理工件表面图离子氮化原理图离子所具有的大的动能,一部分转变为热能,加热工件,一部分使离子直接渗入工件及产生阴极溅射,也就是从工件表面打击电子和原子如图上的、,被击出来的铁原子和带电的原子态氮相结合,生成,有附着作用而吸附在工件表面上,由于高温及离子的轰击作用,又很快转变成低价氮化物如一州、而放出氮,氮原子渗入工件表面并向内部扩散形成氮化层,一部分氮回到放电的等离子区的气体中和其它的氮一样,从新参与氮化作用。这样,离子氮化由于大大加快了等离子区的氮的电离,供结高浓度的氮,这种固一气界面处很高的离子浓度梯度,有利于氮在工件内部扩散从而使氮化速度加快。其次,离子轰击后的工件表面存在二类、三类应力,点阵发生严重畸变位铅密度显著增加,并出现大小不等的坑洼,沿晶界处尤为显著,这种表层大量缺陷的存在,促进了氮的扩散过程,是氮化速度加快的主要原因。再是,由于被处理工件表面溅射,产生金属原子分离,碳、氧、氮非金属元素从表面离开,表面完全消除了氧化物、碳化物等而变得非常活化,因而促进了氮化反应,这是氮化速度加快的另一个原因,也是不锈钢容易氮化的原因。辉光离子氮化炉的辉光放电的伏安特性曲线如图所示。电压电流图辉光放电的伏安特性曲线氮化时,接通电源,使阴阳两极间电压由零逐渐增大,开始时阴阳两极间并没有电流,当电压增加到点时,阴阳两极间突然出现电流,阴极部分表面产生辉光,阴阳两极间电压立即下降到点的数值,此时,增加电源电压,被辉光覆盖的阴极面积增大,电流增加,但极间电压不变,即图中的段。再继续增加电源电压,当辉光覆盖全部阴极表面后,随着电流增加,极间电压增加图中段,过了点后,电流急剧增大而极间电压急剧下降,阴阳两极间出现强烈的弧光放电,弧光放电在阴极上的某个点与阳极之间进行,大量正离子轰击阴极某个点,从而会烧伤工件。离子渗氮层的结构和性能离子渗氮层的结构各种材料经离子氮化处理后的渗层与普通气体氮化相似,通常也分为两层,即氮化物层也叫化合层或白亮层及扩散层也叫过渡区。众所周知,普通气体氮化的氮化物层一般由组成,离子氮化的氮化物层同样也可以由这两相组成。离子氮化层中扩散层的组织形态也是随钢的化学成分不同而变化。碳钢氮化的扩散层,当有铁素体存在时,常观察到铁索体中有针状的,相析出,合金钢的扩散层比心部组织暗,这是因为氮和固溶体中的合金元素形成的高弥散的氮化物如等,从而较易腐蚀。但是,离子氮化能够针对处理的钢种,找出合适的工艺参数,如氮化气氛等,便能获得传统方法难以视需要来控制的如下三种氮化层相。、氮化物层及扩散层相州氮化物层及扩散层只有扩散层的氮化表面。这是离子氮化的一个显著特点。目前离子氮化采用的气氛有氨的热分解气,或是不同比例的氮和氢的混合气。表一列出四种氮化气氛对不同钢种的氮化物层相结构的影响嘲。其处理工艺为氮化,辉光层厚。由表可见,用氨气作为氮化气氛,都不能得到单一的相氮化物层采用氨分解气,除钢外都能获得单一的相氮化物层用氨分解气和氢气,这五种钢材都能得到单一的相氮化物层而用氨气和丙酮挥发气,这五种钢材氮化物层均为相。表氮化气氛对氮化物层相结构的影响氨气氮分解气氨分解气氢气氢气丙酮皇塑堑整钢钢丛型竺芏这些结果表明气氛中含氮的比率越低,越容易得到单一的相氮化物层,当钢的含碳量和合金元素含量较低时,这种趋向更大。相反,增加气氛中氮的比率,或提高钢的含碳量和形成氮化物合金元素的含量,氮化物层中的相越多此外,气氛中含有少量的碳,可以促使相的生成。离子渗氮层的硬度图是号钢、号钢、用氨分解气于经离子氮化后的硬度分布曲线。气、显微硬度、心汊、咚芝、正士生。、距离表面距离图不同材料离子氮化后氮化层的硬度分布曲线钢钢由图可看出,钢中含氮化物形成元素越多,硬化效果越好。离子氮化的硬化机理与气体氮化基本上是相同的。在合金钢中,由于氮和合金元素铬、钼、铝等结合,形成高弥散的合金氮化物,同时造成晶格扭曲,因而硬化效果好。在碳钢中不存在合金氮化物的弥散硬化,仅依靠氮的固溶强化,效果较差。尤其氮化后缓慢冷却,铁素体中析出针状的相,固溶体中氮量减少,强化效果就有所降低。离子氮化的温度对钢氮化层硬度分布有一定的影响。对钢在离子氮化处理后氮化层表面硬度最高。这是由于形成弥散度很大且与母相相保持共格关系的氮化物,致使母相品格产生强烈弹性畸变,因而获得强化,氮化层具有最高硬度。当在以上离子氮化时,由于氮化物质点逐渐变租,共格关系陆续破坏,导致硬度降低,此时强化越来越靠非共格析出的弥散强化如在以下离子氮化时,由于氮化层的合氮量达不到足够的浓度,而合金钢氮化层的高硬度则在某种程度上是和氮在。相中的高溶解度有关,所以,使得氮化层表面硬度降低。从获得最佳氮化层的表面硬度来说,像等合金钢的离子氮化最合适的温度范围是。渗氯层的韧性氮化层的韧性通常以扭转试验应力一应变曲线上出现屈服现象及产生第一根裂纹的扭转角大小来衡量。氮化层结构不同其韧性也不同。对于仅有扩散层而无氮化物层白亮层的氮化层韧性最好扭转。后出现第一条裂纹,出现相单相氮化物层考者次之扭转。后出现第一条裂纹,只有相单相氮化物层者更次之扭转。出现裂纹,具有双相双相混合层者韧性最差扭转。后出现裂纹。氮化试样用扭断、弯断或冲断时表面碎裂程度来区分氮化层脆性也表明,用氨分解气氢气处理的试样,因氮化物层具有单一的相,脆性最小,用氨分解气处理的离子氮化试棒,氮化物层为少量相相,脆性次之用氨气的离子氮化,试棒的氮化物层中有较多的相相,脆性较大。此外,氮化物层深度对氮化层韧性也有影响,随着氮化物层深度的增加,韧性下降。渗氮层的耐磨性与气体氮化比较,离子氮化后耐磨性有较大的提高。氮化层抗滑动摩擦的耐磨性随着表面的氮浓度增加而提高,如在含氮气的里氮化与含的氮的离子氮化结果比较,前者耐磨性更高,这是由于氮化层表面氮浓度高些的缘故。单相表面含氮量过高,脆性相过多时,耐磨性反而低劣。滚动摩擦磨损性能越好。由于离子氮化的白亮层越薄,抗滚动摩擦磨损性能越好。渗氮层的疲劳强度光滑试棒的疲劳试验表明,采用不同氮化方法疲劳强度几乎相等,有些差异主要是氮化层深度不同引起的。但缺口试棒的弯曲疲劳试验结果与无缺口疲劳试验不同,离子氮化的缺口疲劳强度比气体氮化高得多。这与使用两种不同氮化方法所得到的氮化层具有不同的组织结构有关。气体氮化的化合物层为多量的,化合物层厚,且过渡区晶间氮化物严重、缺口疲劳试棒在交变负荷作用下,缺口根部发生化合物层脆裂,造成更加尖锐的缺口,高的应力集中促使疲劳断裂过早产生,因而疲劳性能下降。而离子氮化的试样化合物层为少量相和相,化合物层薄,且晶间氮化物较轻微,在疲劳试验过程中观察不到试棒缺口根部出现化合物层的脆裂现象,所以其疲劳强度高。离子渗氮的应用效果鉴于离子氮化具有在普通氮化工艺中所不具备的许多优良特性,因而离子氮化工艺在国内外受到广泛重视并不断扩大应用范围,已获得显著的技术经济效果。现列举几例钢冷冻机阀片经淬火回火处理,其使用寿命在以下改用淬火回火后再离子氮化,使用寿命达到以上钢压铸模、挤压模等淬火器火后再经离子氮化,使用寿命可提高倍钢铣刀、铰刀、钻头等在淬火回火后再经离子氮化,使用寿命提高倍九。总之,离子氮化由于有许多独特的优点,而且在碳纲、铸铁、合金钢、不锈耐热钢、粉末冶金制品、钛合金等均有显著的氮化效果,所以,它是具有广阔前途的表面强化工艺之一。当前仍在深入研究,主要有下列三方面的动向研究和控制氮化层组织,提高氮化层性能,例如为了进一步提高耐磨性能,在氮化气氛中引进含硫的气体,得到表面为,内层为相,再往内为扩散层的复合渗层。扩大离子氮化的应用,例如,为了提高碳钢离子氮化的效果,采用适当提高处理温度,加入微量含碳气氛和加快冷却速度等,从而进行离子软氮化保温,加入占氨气总流量的丙酮或酒精,软氮化后空冷或油冷,可以得到以上,硬度为的有效硬化层,扩大离子氮化在碳钢机件方面的应用。提高离子氮化设备的自动化程度。离子渗碳技术离子渗碳是目前机械制造工业中应用最广泛的一种热处理方法。它是渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子经过表面吸收和扩散将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表层,使其达到共析或略高于共析成分时的含碳量,以便将工件淬火和低温回火后,其表层的硬度、强度,特别是疲劳强度和耐磨性,较心部都具有显著的提高,而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。由于碳在铁素体中的溶解度极小最高约,而在奥氏体中的溶解度却较大最高为,所以渗碳必须在以上的温度一般在使钢在奥氏体状态下进行嘲。渗碳温度越高,碳的扩散速度也越大,但温度也不宜过高,否则使设备寿命显著降低,并使钢的晶粒极化和表层的含碳量过高以致生成碳化物网等缺陷。渗碳零件的表层及心部均要求有良好的机械性能,因此渗碳用钢的含碳量一般为如含碳量过高,在渗碳热处理后,其心部的韧性将降低,而含碳量偏低时,在渗碳热处理后,其心部的强度较低,不足以支撑在较高载荷下表面所受的应力,此势必增加表层的深度来补救。对于一些强度要求稍高而断面尺寸较大的零件可采用较高含碳量的钢含碳量可达,这样不仅可提高心部强度,同时可以减小渗层深度并由于可采用较低淬火不致引起渗层过热,因而简化了热处理操作。离子渗碳原理离子渗碳与离子氮化比较,主要不同点在于通入炉中的气体介质。离子渗碳时不是通入系气体,而是通入系气体。图是离子渗碳炉的内部构造。图离子渗碳炉的内部构造一气冷用风扇一热交换罂一工件移动机构一油冷却室一油搅拌器气体导入口一油加热器一油冷却用热交换器一工作台阴极加热室绝热材科发热体及阳极一隔板离子渗碳是将工件装入真空炉内,在碳化氢系气体的减压气氛中加热,同时,在工件阴极与阳极之间外加直流高压电,使它引起辉光放电产生等离子体,活化的碳被离子化。利用工件阴极附近的急剧电压降使碳离子加速,轰击工件表面而进行渗碳。离子渗碳主要也是利用活化碳,这一点与其它渗碳法相同,即渗碳一般为活化碳在工件表面进行反应并向内部扩散。但是离子渗碳使得活化碳的物理状态发生很大变化。当通入儿气体或卅。渗碳气体进行离子渗碳时,产生高能量的活化碳离子轰击工件表面,不但产生辉光放电,提高了工件表面温度,而且表面的原子发生溅射,使表面产生品格缺陷,促进了碳原子向内部扩散,所以离子轰击渗碳具有高的渗速。但有人指出无论是普通气体渗碳还是离子轰击渗碳,渗碳反应都受活性气体在金属与气体界面层内迁移速率和吸附层内反应产物的分解所控制。离子轰击渗碳时渗速快也许是由于气体和固体之间扩散系数增大所引起的,而该系数的增大,则与离子轰击后的表层存在大量缺陷有关。离子渗碳的工艺特点离子渗碳炉必须兼有使工件升温至以上和持续均匀异常辉光放电的能力,同时还附设有淬火机构,从工件加热直到渗碳后的淬火处理,均在同一个装置内进行。因此,离子渗碳实际应用的装置是具备加热室和油淬火室的双室型真空热处理炉,在加热室中附加有辉光放电机构。工件装入炉内后开始排气,使炉内气压降至。,将工件加热至以上,净化工件表面。经过一定时问预热后,向炉内通入少量的碳化氢系气体如扎气体等,保持咖左右的炉内压力。加上直流高压电,于是炉内气体发生异常辉光放电而等离子化,产生了碳离子。这种碳离子在离工件阴极几毫米处,因急剧的阴极压降而被加速,取得很大的动能,向工件表面轰击,引起碳原子向内部扩散。调节通入炉内的渗碳气体流量,达到原定的压力,将离子电流密度选定在规定值,进行一定时问的离子渗碳,可以得到预期的碳浓度和渗碳层深度。渗碳处理后可以立即油淬火,也可以在加热室冷却一段时间达到预冷温度淬火,或者在冷却室冷却再在加热宣重新加热到适当温度再淬火。离子渗碳与其它渗碳法相比有许多优点,如渗碳能够在整个工件表面上均匀、稳定和快速,如含碳、锰、铬、钼的钢离子渗碳,能取得唧的硬化层深度,比其它渗碳法缩短时间左右,特别是可以对的狭缝表面和中的小孔进行均匀渗碳渗碳层表面碳浓度与渗层深度容易控制,即可通过控制气氛压力与辉光放电电流密度而自由地加以调节,方法简便渗碳效率高可达,而热裂或滴注方式的渗碳效率只有百分之几到不会产生内氧化不需热裂气氛的发生装置工件表面洁净耗电省,无公害。离子渗碳层的结构与性能离子渗碳与普通渗碳一样,对工件表面的含碳量应达到,渗碳层深度通常要求为。含碳、锰、铬、钼的钢经、离子渗碳后,其表面合碳量为,在油中淬火后表层有效硬化层深度为,它的组织是由马氏体和大约残余奥氏体所组成的。在渗碳层深度和表面碳浓度相同的条件下,离子渗碳得到的机械性能优于传统渗碳方法。如上述合金钢离子渗碳,渗层有效深度为咖,测出的表面硬度为,比传统气体碳氮共渗高出,离子渗碳的疲劳强度为/,比传统气体碳氮共渗高出/,离子渗碳的耐磨性要比真空渗碳优越。这是由于离子轰击后试样表面的阴极喷镀现象形成了一个很好的表面的缘故。离子碳氮共渗技术用碳、氮同时渗入金属表面的热处理称为碳氮共渗。碳氮共渗与渗碳相比有下列优点由于碳、氮同时渗入,渗层表面只有比渗碳更高的硬度、耐磨性和疲劳强度,同时氮降低了奥氏体形成温度,可以在较低温度下进行共渗,工件不易过热,而且可直接淬火,淬火变形小。碳和氮同时渗入可使渗层淬透性提高,因而可在较缓和的淬火介质中淬火。离子碳氮共渗是在离子氮化基础上发展起来的。它除具有普通碳氮共渗所获得的性能外,还具有渗速快、质量好、省电、省气、无公害等优点,是一项极有发展前途的新颖的碳氮共渗工艺。根据共渗温度的不同,碳氮共渗可以分为低温碳氮共渗、中温碳氮共渗、高温碳氮共渗高温碳氮共渗以渗碳为主,中温碳氮共渗使碳、氮向时渗入工件表层,大多用于结构钢耐磨零件。低温碳氮共渗以渗氮为主,大多用来提高磨具的表面硬度、耐磨性和抗咬合性。目前广泛应用的软氮化就是低温碳氮共渗。根据渗层深度的不同,又可分为薄层碳氮共渗和厚层碳氮共渗。一般碳氮共渗的渗层深度较薄,约为左右,应用的范围主要是承受中、低载荷的耐磨件。深层碳氮共渗其层深可达左右,用于受载荷较大的工件,由于有足够深的渗层,故渗层不致于压陷及剥离。离子碳氮共渗原理离子碳氮共渗也是将工件装在真空室内,如图所示。工件接高压直流电源的阴极,工件外围设一个阳极或真空室外壳接高压直流电源的阳极,将真空室抽气,压力达到某一数值时,向真空室内通入少量含碳一氮气体,在阴阳两极间加上高压直流电,当电压达到某一数值通常为时即可击穿稀薄气体,使气体电离成氮离子及碳离子。碳氮离子在电场作用下冲击工件阴极表面,使工件均匀加热的所需要的温度。与此同时,碳及氮离子在阴极夺取了电子后还原成碳、氮原子并渗入到工件表面和向工件内部扩散,形成所需的碳氮共渗层“。图离子碳氮共渗装置示意图一供电装置一真空罩一工件一抽气装置一测量真空度装置一一储氨瓶一酒精瓶一流量计离子碳氮共渗条件对共渗结果的影响离子碳氮共渗也遵循着一般扩散规律,如渗层深度随着共渗温度的提高而增加,其原因主要也是由于温度升高加速了碳一氮原子扩散的缘故。在一定温度下,随着保温时间的延长,渗层深度也增加,如图所示。离子碳氮共渗渗速可达衄/,比普通气体碳氮共渗快倍。一般认为这是由于离子轰击增加了金属表面的缺陷,从而增加了间隙元素碳和氮的扩散渠道,导致渗速增加。/,。渗层深度夕,。/,一宝,一一一/。一,毒/夕/一时间图保温时间与共渗深度的关系/离子碳氢共渗,渗剂钢碳氮共渗后表面合碳量应力求达到,含氮量为左右。对钢碳氮共渗的气体使用/之比为经离子碳氮共渗处理后,进行剥层分析结果表明,表面含碳量为,含氮量为。若/的比值太大,渗层表面浓度低,渗速减慢,这可能与碳原子供应不足有关。反之,若。/。的比值太小,则会出现碳黑,共渗过程就会受到阻碍,使碳原子无法渗入工件表层离子碳氮共渗层的组织与性能离子碳氮共渗层的淬火组织也为细片状马氏体和残余奥氏体。钢经、离子碳氮共渗并在油中淬火的渗层硬度分布如图中曲线所示。由图可见,在距表面处硬度值出现峰值。表面硬度低的原因是与表面含氮量较高,引起了淬火后残余奥氏体数量增多,致使硬度降低。但随着共渗温度的升高,渗层氮浓度不断降低,表面硬度偏低现象不再出现,见图中曲线所示。硬度距离表面距离邮图铜渗层硬度分布,液相等离子体电解渗氮、渗碳、碳氯共渗技术液相等离子体电解渗碳、渗氮、碳氮共渗技术是一种新兴的表面处理技术,目前对这项技术的研究开展并不是很多,进行的研究也主要集中在阴极等离子体电解渗透技术上聂学渊和等人进行的研究主要集中在尿素电解液体系下对不锈钢试样的处理等人研究是在甘油电解液体系下对纯铁进行处理因为该技术有处理时间短几分钟内、整体工件受热轻微、可以即时淬火等优点,所以是一种很有发展前途的表面处理技术”。液相等离子体电解渗碳、渗氮、碳氮共渗基本原理等离子体电解渗透技术开始于对电解液中表面放电热效应的研究,后来又研究了等离子体热扩散反应发现电解质元素扩散进试样表面。近几年来,对非金属元素如碳、氮、硼等和金属元素如钨、钼、钒等在钢表面的渗透进行了深入研究四,其中又以渗碳/氮化开展的较多。典型的等离子体渗透反应如下阳极反应阴极反应一欧姆热反应。因阳极产生的是惰性气体,故本反应以工件为阴极。随着旖加电压的升高,反应产生大量的气体,形成了使电解液和电极表面分离的气体隔离层,达到击穿电压图中后,气体层发生击穿反应,气泡破裂火花放电出现,形成厚度达的稳定放电层,火花浓度和电压成正比。产生的等离子体中含有大量碳、氮活性粒子,在高电场、流体动力等作用下,轰击试样表面,形成复杂化合物,并在局部高温高压、高浓度的作用下向金属内部扩散。进一步提高电压至。图,形成了连续的气体/等离子体隔离层,该层含有高浓度的碳、氮、氧离子和活性原子,出现了连续的辉光放电现象。气体/等离子体隔离层使阴极与电解液完全分离,造成电极电流的显著降低。迸一步提高电压,电流变化不大,基体表面温度却迅速上升口。快速渗氮、渗碳、碳氮共渗处理的机理同样遵循扩散过程的菲克方程式一一口孚和拿导口拿【女秽由于弧光放电,气体被击穿产生大量的处于等离子体态的活性原子,这些活性原子在电场的作用下轰击试样表面,离子注入到处理材料中,产生空位和位错。将导致两个方面的影响一方面,使工件表面的活性原子的浓度提高另一方面,强化沿晶内扩散,即位错沿着与轰击表面垂直的滑移面移动,其运动的方向与饱和元素,扩散流的方向重合,从而大幅度提高材料内、原子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系数的增大,使得非金属扩散系数可提高倍,从而使和原子的扩散过程得以强化九在等离子电解渗透技术中等离子体是通过弧光放电产生的,具有比较大的电流密度/左右,所以离子的轰击非常强烈,致使渗透的速度加快,最终实现材料表面快速固溶和化舍物强化处理。图液相等离子体电解渗透电流一电压关系模型液相等离子体电解渗碳、渗氮、碳氮技术的工艺特点电解液体系的选择对于液相等离子体电解渗碳/氮技术来说,电解液的选择比较简单,通常由三部分组成有机化合物提供、源易溶盐水。常用的有机化合物有甲酰胺、尿素、乙醇胺等,由于有机化合物的导电能力比较差,因此常加入一些易溶的盐如氯化钠或氯化钾等和水来提高溶液的导电性,以便形成稳定的放电电弧。此时形成的溶液是一种双重电解质溶液,既先配制好易溶盐的水溶液,然后在将水溶液加入到有机溶液中,直接将易溶盐加入到有机电解液中是不会溶解的。在此试验中,水的含量对电参数有较大的影响,常控制加入的盐和水的量占总含量的之间,若含量少于的时候,会使临界击穿电压升高,若多于会导致电压一温度曲线斜率迅速升高。等离子体电解渗透装置图为等离子体电解渗透装置示意图。该装置由直流脉冲电源、共渗槽、电解液循环冷却系统组成。由于在试验中工件作为电极,加载电压相当于对工件加热,为了避免工件过热而造成工件周围的电解液沸腾,因此要对电解液进行循环冷却,使电解液温度保持在以下。图典型的等离子体电解渗透装置一橱窗混台宣一连接导线捧气系统接地室电潭一工件一冷却系统争电解檀绝缘装量液相等离子体电解渗碳、渗氮、碳氮层的性能渗透层的耐磨性能聂学渊等人通过磨损测试仪对处理过的钢扩散强化层的耐磨性能进行测试,在加载压力相同和运行速度稳定的情况下,对比在相同的运动距离下,对经过渗透处理和未处理试样的耐磨时间进行比较,结果表明处理过的工件具有较好的耐磨性。和等人对不锈钢进行/处理,以碳化钨、铬钢为摩擦副进行往复试验,在载荷、滑动位移、振幅哪、频率条件下。磨损率分别为“咖/皿、/哺。,渗透层的耐蚀性能聂学渊对钢在电压下处理后的试样和未处理试样进行了耐腐蚀性能测试。将试样浸入/的硫酸溶液中,然后加载交流电压。比较感应电流的耐腐蚀极化电阻值尼,结果表明处理过的试样耐蚀性提高了多倍。”。,渗透层的硬度经过等离子体电解渗氮/碳处理可以提高表面层的硬度,以钢在表面温度条件下得到碳/氮渗透层为例,其白色外层化合物层的最高硬度达。和等对处理,甩努普显微压痕硬度实验仪测量表层硬度船载载荷,表层的硬度最高可达、。聂学渊对钢进行处理,采用型显微硬度计,测得渗透层的硬度最高可达叭,。等人对纯铁进行处理,渗透层的最大硬度为。,而基体的硬度为。本课题组对钢进行碳氮共渗处理,渗透层的最大硬度为。,而基体的硬度为。第三章实验装置及处理过程实验装置本论文所采用的等离子体电解渗透装置如图所示。它包括等离子体电解渗透电源、共渗槽、搅拌器、循环冷却系统和测温系统。共渗槽内放有电解液,电解液需用循环冷却水冷却,使之温度低于。工作时工件为阴极,不锈钢容器为阳极。图等离子体电解渗透装置示意图电源的选取等离子体电解渗透装置采用整流型直流脉冲电源供电,自制的和等离子体电解氧化装置中的电源均由变压器、整流器和高压电缆组成,其电路结构示意图如图所示。输图等离子体电解氧化电源的电路结构示意酗,口调变压器,高雎变压器桥式整流宙胜乜缆电流表电压表输入开关如图所示,自制的电源装置由可调变压器、高压变压器、桥式整流器以及输出高压电缆组成。其中可调变压器的初级接输入电压,次级经过调节后与高压调压器相连,高压变压器的次级连接到桥式整流器上,桥式整流器的输出端串联一个电流表,并联一个电压表,输出端经过高压电缆连接到欲处理的试样上。为保证操作人员的安全,在可调变压器的输入端串联一个输入开关,并将整个电源装置封闭在绝缘箱中。工作时将输入开关闭合,交流电经过可调变压器、高压变压器配合调节,可以分别获得不同幅值的连续可调的电压,然后经过桥式整流器整流,获得所需的直流电压。电压表和电流表可以用来检测施加在试样上的电压和电流的具体数值。电源所提供的输出电压范围为,电流电源所提供的输出电压范围为,电流。两部电源的输出频率均固定为。电源输出的特征波形如图所示。图等离子体电解渗透电源的输出特性电解液的配制本工艺中只要配制不同的电解液溶液,就能实现不同元素的渗入。本试验中用乙酰胺,和甘油作为反应物,提供等离子体渗透所需的碳、氮源,氢氧化钠作为电解质,按一定比例溶解在去离子水中构成电解液体系。试验过程中,在电场的作用下可发生类似典型反应中甲酰胺的电极反应,在阴极附近产生大量含有氨气和二氧化碳的气体。同时,由于胺类物质在碱性环境下受热可发生水解反应产舻,。,因此在温度很高的基体附近此反应与电极反应共同发生,使气体层中氨气含量进一步提高,进而提高了渗透效率。作为对比,成分为乙酰胺、氯化钠和水按一定比例混合的溶液作为电解液进行重复性试验,从实验检测结果可以看出在相同的处理时间和电参数条件下,有水解反应发生的溶液中样品的处理效果更为理想。实验材料和处理工艺本工艺技术适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、钛合金等,甚至适用于金属基陶瓷及金属基复合材料。本论文在等离子体电解渗透机制研究部分所使用的片状基体材料为号钢,试样尺寸。等离子体电解渗透工艺简单,不需酸洗、活化等复杂的前处理过程,其具体工艺流程为机械打磨一超声波清洗一丙酮擦洗一酒精擦洗一去离子水清洗一等离子体渗透处理一自来水冲洗一千燥。实验过程及现象实验过程中将片状基体材料全部浸入处理液中并通过导