（材料加工工程专业论文）铬、镍、氮多元离子淹没轰击处理技术研究.pdf

分类号： 学号：2 0 0 4 2 0 1 0 1 0 5 3 华南理工大学硕士学位论文 m i i l l l l l l l l l l l l l l l l l i l l l l l l l l l l l l l l l l l l y 18 19 6 5 1 学校代号：1 0 5 6 1 铬、镍、氮多元离子淹没轰击 处理技术研究 作者姓名：吴大庆指导教师姓名、职称：蒙继龙教授 申请学位级别：工学硕士学科专业名称：材料加工工程 研究方向：金属材料表面技术 论文提交日期：年月日 论文答辩日期：年月 学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月 答辩委员会成员： 主席： 委员： 日 日 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名弘久吼砷年。多月6 么日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 豳保密，在上年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：关、水、玑日期：7 。f o 乡 指导教师签名：撕 日期： 2 。纱7 矿厶9 莎 摘要 一般采用传统离子渗氮处理奥氏体不锈钢时温度在5 0 0 6 5 0 之间，可以提高 其表面硬度。但由于氮渗入基体表面形成c r n ，而铬氮化物的形成致使基体固溶体贫 铬，耐腐蚀性下降。针对这一问题，本文提出铬、镍、氮多元离子淹没轰击处理新技 术，其特点是5 0 0 一- - 6 0 0 左右的温度下，在离子轰击炉中以氨气为氮离子源，并同 时引入铬、镍、氮离子源进行多元离子淹没轰击处理，达到多元共渗的目的。用此方 法在不同氨气流量、不同处理时间、不同处理温度等工艺条件下，对a i s l 3 1 6 奥氏体 不锈钢进行处理，采用金相显微镜、x 射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度计和电化学 工作站分析了不同工艺下渗层的显微组织、相结构、主要元素浓度的分布、形貌特征 以及硬度、脆性、腐蚀性能。 实验表明，在不同工艺条件下，a i s l 3 1 6 不锈钢经铬、镍、氮多元离子淹没轰击 处理可以制备不同的渗层。 5 2 0 下处理9 小时，氨气流量过小( 1 0 0 l 1 1 ) 将无法得到完整均匀的渗层；流量 过大( 9 0 0 l h ) 得到渗层主要相为c r n ，但厚度薄且脆性大；流量适当( 5 0 0 l 1 1 ) 时 可以获得较厚的高铬渗层。 在比较不同处理时间对于渗层影响时发现，5 2 0 时4 小时多元离子淹没轰击处理 后试样表面得到氮化组织，表面铬含量无明显提高；9 小时处理后试样表面能得到高 铬渗层，但渗层具有不同铬含量分层的亚结构；1 6 小时处理后的试样渗层中观察到， 氮与铬的渗扩已经基本同步，表明铬的渗扩与氮的渗扩其实是互相影响，铬渗扩形成 的渗层会对氮的渗扩起到一定的吸附和限制作用。 温度对于铬的渗扩有相当的意义。相同氨气流量和时间下( 5 0 0 l h 、4 小时) ，提 高处理温度可提高渗层的厚度，并在一定范围内提高渗层中铬的含量。 在可以形成高铬渗层工艺条件下，温度越高，处理时间越长，高铬渗层的硬度会 下降，但是脆性会降低。 比较各个试样的耐腐蚀数据发现，没有形成高铬渗层的试样耐腐蚀性比其他有高 铬渗层试样低。相对于传统离子渗氮工艺，多元离子淹没轰击处理后的试样在耐腐蚀 性能上有较大提高。 通过表面镀镍的试样进行铬、镍、氮多元离子淹没轰击实验，推断铬、镍、氮多 元离子淹没轰击处理中铬在奥氏体不锈钢中的渗扩主要通过与氮形成化合物，并在试 样表面沉积扩散。上述试样上观察到镀镍层与基体互相扩散，在镀镍层与氮化组织间 得到扩散过渡组织，与氮化组织一起表现出多孔特征。进一步研究镍在钢中的扩散行 为后，本文认为多孔组织的形成与氮在钢中的扩散有关，而与镍在钢中的扩散无关。 关键词：淹没轰击处理；多元离子：铬、镍、氮离子；离子轰击渗扩；奥氏体不锈钢 i i a b s t r a c t t os o l v et h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lc a nn o tr e l yo nt h ep h a s ec h a n g eh e a tt r e a t m e n t m e t h o d ss c l e r o s i s ，c o m m o n l yu s e di nc o n v e n t i o n a li o nn i t r i d i n g ，t e m p e r a t u r ef r o m5 0 0 t o6 5 0 ，c a l ls o l v ei t sp r o b l e mo fl o wh a r d n e s sa n db a dw e a r - r e s i s t a n c e b e c a u s en i t r o g e n p e n e t r a t e si n t ot h es u r f a c eo fs u b s t r a t e ，a n df o r m i n gc r n ，m o s tc h r o m i u mi sc o m b i n e db y t h ef o r mo fn i t r i d ，w h i c hl e a d st ot h es o l i ds o l u t i o nl a c k so fc h r o m i u m t os o l v et h i s p r o b l e m ，an e wt e c h n o l o g yn a m e di m m e r s i o nb o m b a r d m e n tb ym u l t i p l ei o n so fc h r o m i u m ， n i c k e la n dn i t r o g e n ( i b m i ) ，w a sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r i t sm a i ni d e ai s t oi n t r o d u c e m u l t i p l ei o n so fc h r o m i u m ，n i c k e l ，n i t r o g e ni n t ot h ei o nb o m b a r d m e n tf u m a c e ，a n d p r o c e s st h es a m p l ew i t hi b m it r e a t m e n ta t5 0 0 6 0 0 t e m p e r a t u r e a i s i316s t e e l s a m p l e sw e r ep r o c e s s e di nd i f f e r e n ta m m o n i af l o w , d i f f e r e n tt i m e ，d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h e m i c r o s t r u c t u r e ，p h a s es t r u c t u r e ，c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no fc r ，n ia n d n ， m o r p h o l o g i e so fs u r f a c el a y e r ，h a r d n e s sa n dc o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d b yo p t i c a lm i c r o s c o p y , x - r a yd i f f r a c t o m e t e r , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) c o u p l e d w i t h d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) ，m i c r o h a r d n e s s t e s td e v i c ea n da u t o l a b e l e c t r o c h e m i s t r yw o r k s t a t i o n i tw a ss h o w e dt h a td i f f e r e n tl a y e r so ft h es a m p l e sc a nb ep r e p a r e db yt h i sm e a n si na d i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n s t r e a t e da tt h et e m p e r a t u r eo f5 2 0c e n t i g r a d ed e g r e ef o rn i n e h o u r s ，c o m p l e t eu n i f o r ml a y e rc a nb ep r o d u c e dw h e na m m o n i af l u xe q u a l 10 0 l ；i n e x c e s s i v ea m m o n i af l u x9 0 0 l h ，at h i na n db r i t t l el a y e rw a sf o u n do nt h es a m p l e ss u r f a c e ， c r na si t sm a i np h a s e ；a p p r o p r i a t ef l u x5 0 0 l h ，l a y e rw i t hh i g hc h r o m i u mc o n t e n tb e c a m e t h i c k e rt h a no t h e r s a tt e m p e r a t u r eo f5 2 0 ，a f t e rf o u rh o u r si b m it r e a t m e n t ，an i t r i d i n gl a y e rw a s f o r m e do nt h es u r f a c e ，w i t hn om a r k e d l yi n c r e a s ei nc h r o m i u mc o n t e n t n i n eh o u r s t r e a t m e n tc a ng e th i g hc h r o m i u ml a y e r , b u tt h el a y e rc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t sf o ri t s d i f f e r e n tc h r o m i u mc o n t e n t 16 一h o u rp r o c e s s i n g ，n i t r o g e na n dt h ei n f i l t r a t i o no fc h r o m i u m i i i h a dp e n e t r a t e d s y n c h r o n i z a t i o n i nt h e l a y e r a l lo ft h e s e s h o w e dt h a tp e n e t r a t i n go f c h r o m i u ma n dn i t r o g e nw a sa c t u a l l ya f f e c te a c ho t h e r sp r o c e s s ：n i t r o g e nc a np e n e t r a t e e a s i e ra n de a r l i e r , a n dh i g hc h r o m i u ml a y e rc a ns l o wd o w nt h ep e n e t r a t i n go fn i t r o g e n t e m p e r a t u r eh a sg r e a te f f e c t i v eo np e n e t r a t o ro fc h r o m i u m a t5 2 0 。c ，f o u rh o u r si b m i t r e a t m e n tc a no n l yg e tn i t r i d i n gl a y e r , a n dc h r o m i u mc o n t e n to ft h el a y e rd i d n ti n c r e a s e a p p a r e n t l y ；a t5 5 0 c ，l a y e r s t r u c t u r eb e c a m ed e n s e ，a n dc h r o m i u mc o n t e n ti n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y , m o r et h a nt r i p l e dt h a nt h em a t r i x a th i g h e rt e m p e r a t u r e ，a t5 8 0 。c ，l a y e r t e n d e dt ob et h i c k e r c o m p a r i s o no nt h ec o n d i t i o n si nw h i c hh i g hc h r o m i u ml a y e r sw e r ef o r m e do nt h e s a m p l e s s u r f a c e ，t h eh i g h e rt e m p e r a t u r e ，o rt h el o n g e rp r o c e s s i n gt i m e ，h i g hc h r o m i u m l a y e r sh a r d n e s sw a sl o w e r , a n db r i t t l e n e s s d e c r e a s e d a b o v e5 5 0 ct e m p e r a t u r e ，t h e s p e c i m e n ss u r f a c eh a r d n e s sw a sa b o u t8 0 0 h v ( 1 0 ) ，b u ti t sb r i t t l e n e s sg r a d eb e c a m e1 c o m p a r i n gt h ed a t ao fa l lt h es a m p l e s ，t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ew i t hh i g hc h r o m i u m l a y e rw a sb e t t e rt h a no t h e r s t h eo n et r e a t e da t5 5 0 cf o rf o u rh o u r sh a dt h eb e s tc o r r o s i o n r e s i s t a n c ea m o n gt h e s es a m p l e s p r o c e s s i n gt h e n i c k e lp l a t i n gs a m p l e sw i t ht h ei b m it r e a t m e n t ，w ef o u n dt h a t 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 离子轰击渗扩技术经典理论概述1 1 1 1 气体放电的条件及基本过程1 1 1 2 气体放电方式及伏安特性曲线分析3 1 1 3 辉光放电特性5 1 3 离子轰击渗扩在奥氏体不锈钢表面处理上的应用1 0 1 3 1 传统离子渗氮11 1 3 4 奥氏体不锈钢低温离子渗氮1 2 1 4 多元离子淹没轰击处理1 3 1 4 1 铬、镍、氮多元离子淹没轰击处理技术的提出1 3 1 5 本课题研究的内容与意义1 4 1 6 本章小结15 第二章实验检测方法1 6 2 1 金相检测1 6 2 2 扫描电镜( s e m ) 与能谱分析( e d s ) 1 6 2 3 硬度测试1 7 2 4x r d 物相分析1 7 2 5 阳极极化曲线分析1 8 2 6 本章小节1 9 第三章铬、镍、氮多元离子淹没轰击技术工艺研究2 0 3 1实验方法2 0 3 1 1 实验材料2 0 3 1 2 处理设备2 0 3 1 3 处理工艺参数2 1 3 2 不同氨气流量对铬镍氮多元离子淹没轰击处理的影响2 1 3 2 1 不同氨气流量渗层组织2 2 3 2 2 不同氨气流量渗层的成分和相2 5 3 2 3 不同氨气流量渗层硬度、脆性及厚度2 7 3 2 4 不同氨气流量对渗层耐腐蚀性的影响2 9 3 3不同处理时间对铬、镍、氮多元离子淹没轰击处理的影响3 l 3 3 1 不同处理时间渗层的组织3 1 3 3 2 不同处理时间渗层的成分与相3 3 3 3 3 不同处理时间试样表面渗层的硬度、脆性及厚度3 5 3 3 4 不同处理时间对渗层耐腐蚀性的影响3 6 v 3 4 不同处理温度对铬、镍、氮多元离子淹没轰击处理的影响3 7 3 4 1 不同处理温度渗层的组织3 8 3 4 2 不同处理温度渗层的成分与相4 0 3 4 3 不同处理温度渗层的表面厚度、脆性和厚度4 1 3 4 4 不同处理温度渗层的耐腐蚀性4 2 3 5 传统离子渗氮与多元离子淹没轰击处理对试样耐腐蚀性的影响4 4 3 6 本章小节4 5 第四章镍离子对铬、镍、氮多元离子淹没轰击的影响4 7 4 1 引言4 7 4 2 实验方法4 7 4 2 1 实验材料4 7 4 2 2 处理设备及工艺参数4 7 4 3 实验结果与讨论4 8 4 3 1 金相组织检测4 8 4 3 2 渗层的扫描电镜与能谱分析4 9 4 3 3x r d 物相分析5 3 4 4 本章小节5 5 第五章镍碳钢扩散实验5 6 5 1 引言5 6 5 2 实验方法5 6 5 3 实验结果与讨论5 6 5 4 本章小节5 9 结j 沦6 0 参考文献6 2 攻读硕士学位期间取得的研究成果6 5 致谢6 6 v i 金属或合金 部扩散，实 、耐疲劳、 表面强化技 氮提高表面 性能降低。 扩技术基础 行多元离子 的问题。 碳共渗等生 不完备。早 o 年代末， 性氮原子在 验和数学论 。当前多数 ，仍普遍在 把现在的离 始终把气体 的电场作用 华南理工大学硕士学位论文 下，气体中自然电离的微量电子和离子会产生定向移动，并与气体分子碰撞，使气体 分子或原子激发和电离。在此过程中，气体压力过大会增加电子与气体的碰撞几率， 令到电子或离子尚未在电场中加速获得足够能量就已经与由于碰撞，达不到电离的目 的。只有当电场强度和气体压力得到良好的匹配时，气体电离才能充分进行。即维持 气体放电的重要条件是调整电场强度f 和气体压力p 这两个参数。 气体放电过程中，带电粒子产生的基本方式最终表现为电离，包括： 1 、 电子与气体原子或分子的碰撞电离。 2 、离子与气体原子或分子的碰撞电离。 3 、正离子轰击作用下，阴极发射的二次电子与气体原子或分子的碰撞电离。 在离子轰击渗扩处理中起重要作用的1 和3 。 气体放电过程中，既因电离而产生带电粒子，也经常发生带电粒子成为中性粒子 的过程，后者称为消电离，基本方式是复合与中和。复合是带电子彼此结合而消失电 荷，中和是带电粒子进入电极而消失电荷，中和是带电粒子进入电极而消失电荷。其 中中和情况归结为三种： 1 、电子进入阳极，释放动能和逸出功，部分转变为热能，加热阳极，部分用于 产生阳极溅射。高速电子进入阳极时，可先激发阳极附近或阳极中某个原子， 产生可见的辉光或不可见的x 射线和其它射线。 2 、正离子进入阴极，即正离子受电场强度加速而向阴极运动，或在阴极附近从 阴极上拉出电子与之中和，或直接进入阴极，捕获电子与中和而成为中性的 气体粒子存在阴极金属中。此时都将释放动能和电离能，除电离能少量消耗 于补偿因拉出阴极电子所需的逸出功外，其余则与释放出的动能转变为加热 阴极，产生阴极溅射和二次电子发射所需的能量。 3 、 负离子进入阳极。 在研究离子轰击渗扩技术中，以带电粒子进入电极的中和最为重要。 综上所述，低真空气体放电( 导电) 的特点，在于气体中运动的带电粒子( 电子 和正离子碰撞时，不仅可以转变为热运动的能量，更主要的是转变为激发能、电离能、 光能或交给电极n “9 。1 2 3 。 2 第一章绪论 1 1 2 气体放电方式及伏安特性曲线分析 气体放电可分为被激和自激两类。所谓被激放电就是气体中的带电粒子首先借助 于外来因素的作用而引起气体电离。在图卜1 的真空容器中，因存在着有自然电离产 生的电子，加上电场强度e 后，便有电流流过。当带电粒子的产生不借助外来因素， 而只是依靠气体与电极的内部过程维持，称为自激放电，又称自持放电或自持导电。 其本质是由阴极发射的二次电子足以代替已在阳极上消失了自然电离电子的作用，放 电完全可以自行继续下去。 图1 1 气体放电的实验装置 f i g 1 - le x p e r i m e n t a ld e v i c eo f d 图1 2 气体被激放电的电流电压曲线 f i g i - 2c u r r e n t - v o l t a g ec u r v eo f g a sd i s c h a r g i n gs t i m u l a t e dg a sd i s c h a r g i n g 如图1 1 的装置中，当加上电场电压后，电子带着电荷e 向阳极运动，即有微量 的电流通过，电压y 增加，参加电子数也增加，如图1 2 中的o a 段所示。由于自然 电离数量不多，电压稍微增加，全部固有的自然电离的电子都参加了导电，电流便达 到饱和，反应为曲线上的a b 段。当电压升高，加速电子移动，即使电子动能增大到 超过气体原子或分子所需的电离电位，便会引起碰撞电离，由电离所产生的电子又被 电场加速再去碰撞其他气体分子使之电离，这样相继产生的新的电子数目随阳极电压 升高而不断增多，阳极电流i 也就随阳极电压升高而不断加大，如图1 2 中b c 段所示。 当电压升高到c d 段时，电流出现急剧上升的现象，这是因为电压升高到足以使正离 子的运动速度加强，即动能增加，轰击阴极，使阴极表面产生了第二次电子发射，则 阴极成为了电子源，这些二次发射电子在向阳极运动过程中产生了更多的碰撞电离， 3 华南理工大学硕士学位论文 所以导致电流急剧上升。这时已经进入了自激放电阶段。 图卜3 气体放电的全程伏安特性曲线 f i g 1 - 3f u l lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fg a sd i s c h a r g i n g 按照图卜1 的装置，实验测出气体放电全过程中电流和电压的变化规律如图卜3 所示，称为气体放电全程的伏安特性曲线，其特点为电流和电压并非直线关系。 根据气体放电现象伏安特性曲线分为五个区： 1 、 非自持放电区( o a a c 段) ：低真空存在微量带电粒子，当施加一较低电压的电 场时，这些带电粒子即做定向运动，冠成微电流，图中o a b 段。进一步提 高电压，使带电粒子的动量增加到引起碰撞电离，电离出的电子又会造成另 外的气体电离，即电子数会雪崩式地增加，使电流明显增大，图中b c 段。 2 、 自持放电区( c e 段) ：当电压达到c 点时，产生的二次电子足以代替进入阳极 的电子，气体导电能力能维持放电现象而不用外加电源。在c 点至e 点，伴 随着放电现象，还产生辉光，因而称为辉光放电。 3 、 正常辉光放电区( d e 段) ：随着辉光出现，电压迅速降低，到一定值( d 点) 后， 极间电流可在电压不变的情况下增加，辉光覆盖面积也增加，即电流密度不 变。 4 、 异常辉光放电区( e f 段) ：当整个阴极都被辉光覆盖后，进一步增加外加电压， 两极间电位降落增大，阴极表面电流密度增大，总电流强度也继续增加。 5 、 弧光放电区( f g 段) ：随着极间电压的升高辉光电流会不断增强，当达到或超过 f 点的电压时，电流会突然增大，极间电压也突然降低，相当于短路。此时 在阴极很小面积上产生强烈的弧光。 在进行离子热处理时，利用的是异常辉光放电区，因为只有在这一区域，阴极表 4 第一章绪论 面全部被辉光覆盖，能均匀加热工件。在这一区域，能改变两极间电位降落和阴极表 面电流密度，即改变离子热处理的工艺参数。弧光放电区的电流远比辉光放电的大， 会造成工件局部熔化，在进行离子热处理时必须注意避免n 3 。1 引。 1 1 3 辉光放电特性 离子轰击渗扩处理主要是利用辉光放电的特性，它主要包括点燃电压、辉光区分 布等。一般是通过辉光放电产生的阴极溅射、沉积效应进行渗扩，并影响等离子体区 的化学反应。 图1 3 曲线上的c 点即为产生辉光的点燃电压k ，它与气压p 和极间距离d 的乘 积p d 有关。k = ，白训的函数形状即为巴兴曲线，特点是p d 值不变时，圪不变，并且 在某一个p 。d 值，有一个对应的v s 最低值，称为最低点燃电压。只有在p d 为某一定 值时，维持自持放电所需的电压将最低，p d 过大和过小都必须增加电压，才能实现 辉光放电。在离子轰击渗扩处理时，欲使气体在最低点燃电压范围内起辉，应根据巴 兴曲线调整p d 值。 应当指出，气体的点燃电压数值还要其它情况的影响，包括空间电荷的影响、不 同气体混合的影响以及温度的影响。在离子轰击渗扩处理时，常以纯氨( n h 。) 为渗氮 剂，但送入炉中后，由于离解和热分解为氢( h 2 ) 、氮( n 。) 和氨( n h 。) 的混合气体， 点燃电压将有所下降，所以用纯氨渗氮时，在低温不易点燃，而在温度升高后，则总 是比较容易点燃的。 实验测出，在低气压( 如1 3 3 3 3 p a ) 进行辉光放电时，放电空间将有八个光区( 明 暗相同) 及其它的一些特性出现，如图1 4 所示。两极间出现明暗相同的发光区域， 即光的强度分布是很不均匀的，各区已有固定的名称标在图上，其形成是由电子在各 区域的速度及气体被激发和电离的情况所决定的。阴极间电位分布的主要特点是它在 两极间不是均布的，而是在阴极附近有一很大的陡降，即所称的阴极位降或阴极压降， 其形成已如上所述，该区的长度用以表示。过了阴极位降区，电位基本上保持不变， 在阳极附近还有可能存在一较小的阳极位降，其有无、是正或负完全取决于阳极回路 的情况。 5 华南理工大学硕士学位论文 删5 。藿 | | 1 _ 爱傺i 2 j l 鐾 藿 i 阳 躔 图1 4 辉光放电的光区、光强、电位、空间电荷的分布曲线 f i g 1 - 4o p t i c a l ，l i g h ti n t e n s i t y ，v o l t a g e ，t h es p a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o nc u r v e o fg l o wd i s c h a r g e 图1 4 所示各光区从阴极开始排列如下： 1 、阿斯顿暗区：这是阴极近旁的一薄层无光区域。由于二次电子刚从阴极上被 正离子轰击发射出来，初速很小，多数电子获得的能量都不足以使气体激发 和电离，因此是暗区。其长度随电流的增加而减小，随气压降低而增大，随 电子速度增大而消失。 2 、阴极辉区：二次电子在离阴极一段距离( 即通过阿斯顿暗区) 后，在电场作 用下得到加速，能在碰撞中性粒子时，付出最低激发能量使之激发，或个别 速度较慢的正离子与电子复合，或成为中性粒子，或成为亚稳和激发粒子而 释放能量。由此产生一层微弱的辉光称为阴极辉区或阴极辉，其长度随气压 增大而减小。 3 、克鲁克斯暗区：又称阴极暗区或希多夫暗区。通过阴极辉区后的电子速度受 本区较强场强的影响已经很大，即获得了足够和超出中性粒子所需的电离能 量的动能，很快通过本区奔向阳极，和本区引起碰撞电离和激发的机会不多， 对于由阳极朝阴极方向而来大量的正离子，也很少有复合的可能，所以又是 一个辉光极微弱的暗区。本区长度随电流强度及气体压力的增加而减少。 6 第一章绪论 4 、负辉区：由于克鲁克斯暗区实际上是一个几乎无光的正电荷层，它产生的电 场，对从阴极方向运动而来未达此层的电子是加速作用，而对穿过此层经过 一定非弹性碰撞的大量电子，则是减速作用。这些电子在此区域内可以造成 强烈的激发和电离，产生大量的正离子。而一些低速电子与正离子复合，以 及使中性粒子受激后，返回基态的几率也很多，结果是放出大量的光量子， 形成特别明亮的负辉区。 5 、法拉第暗区：电子穿过负辉区后丧失了能量，速度更低，大多数缺乏足够引 起激发和电离的动能，所以又是一个光度极弱的暗区，但较阴极暗区略有不 同。因这些低速电子在此区堆集形成了负的空间电荷，同时电位也有所降低。 由于这个区域紧接在负辉区之后，电子在负辉区的电离能量逐渐衰退，进入 法拉第暗区后的负电荷密度或电场梯度也是逐渐改变，因而从负辉区过渡到 法拉第暗区的交界面，就很难用肉眼清楚的分辨出来。 6 、阳极光柱区：又称正柱区或正辉柱。因低速电子通过法拉第暗区边界进入本 区后，又得到电场加速而具有激发和电离中性粒子的能量，导致出现一个光 亮较强而且很长的区域。在这里正离子密度与电子密度相近或相等，所以又 称为等离子区。 7 、阳极暗区与阳极辉区：在阳极光柱之后，有时会出现阳极暗区与阳极辉区。 这两个区域或先或后以及是否出现要看阳极位降的情况，即从等离子区的阳 极光柱区到达阳极表面电子数目及能量不足以产生或很少产生碰撞电离时， 在阳极尽头到阳极表面的区间，正离子积聚的尝试必然很低，这样在阳极区 尽头到阳极表面就会产生一个正的阳极位降，即在阳极面前出现电位下凹。 反之如果在阳极部分内能够聚集浓度较高的正离子，就会引起负的阳极位降， 即在阳极面前出现电位突起。这个位降接近气体电离电位时，阳极附近可能 产生辉光。经过碰撞，电子能量消失，于是紧接阳极表面出现阳极暗区。假 若电子在通过阳极光柱速度很低，不能碰撞阳极前面气体使之产生激发或电 离，则将先出现阳极暗区，然后当电子靠近阳极时，在阳极的作用下，速度 又有所增加，其能量达到足够引起阳极中的原子激发和电离时，就在阳极表 面产生复杂色彩的辉光。 7 华南理工大学硕士学位论文 必须强调指出的是图1 4 中的前5 个区域属于放电的阴极部分，特别是前四个区 域是维持放电的必要条件，称为阴极放电的长度，用改表示。在法拉第暗区之后的三 个区域属于放电的阳极部分，并是不放电的必要条件。 在辉光放电时，由于正离子通过电子与气体碰撞不断增加，并在阴极位降的作用 下，向阴极表面强烈加速。同时，因与位降区内的中性气体粒子弹性碰撞，使中性粒 子也具有与离子相近的能量而达工作表面。在两种高能粒子轰击阴极表面金属表面的 晶体结构时，在极小一部分金属表面将发生剧烈的局部加热，虽然在短时间内通过金 属的良导热性会使该部分的温度因加热面积的扩大而迅速降低，但在瞬间内，两种高 能粒子的一部分能量已转变为使个别原子逸出金属表面所需的逸出功和逸出后的动 能。同时，还可能因某些气体粒子穿入金属并大量积累在很小的体积内，受高热增压 而发生局部爆发，以致造成阴极材料的微粒向各方面飞溅的现象，这就是所谓的阴极 溅射或阴极溅射效应。光谱观察确定，被溅射的金属粒子离开表面后，呈中性原子状 态而不是离子状态。这种阴极溅射效应，根据离子轰击理论与蒸发理论的综合，以及 各方面的研究，可以归结为以下的一些主要规律： 1 、被溅射出的粒子以直线向四面八方飞散，飞散速度随正离子有中性粒子能量 增加而增加，溅射系数的增大亦相同，溅射系数是指一个正离子或高能中性 粒子轰击阴极表面使溅射出来的原子数。能量或动量取决于加速电压儿y 大，溅射系数也大，但当加速电压非常大时，溅射率反而减小。这是因为高 能正离子轰击进入阴极材料内部的几率增加，能量将在广阔范围内散逸给大 量的周围原子，起不到足以供给里层增加了的原子逸出功而把它们打出来的 作用。 2 、阴极位降越大，轰击阴极的正离子及高能中性粒子质量越大，阴极溅射愈剧 烈，当阴极位降接近或等于正常位降时，溅射则很微弱。一般只有长期( 甚 至达到l o o h ) 的连续放电才出现。但在大的异常阴极位降下，溅射量将正比 于该异常阴极位降值与某- l t $ 界阴极位降值之差。基于此规律，要保持阴极 工件表面粗糙度，宜在等于或略超于正常阴极位降下操作( 电流密度较低， 升温速度放慢) ，尽可能防止或减少表面溅射。要保持阴极工件几何尺寸的高 精度，避免因渗入其它元素后的尺寸长大，则宜在大的异常阴极位降下操作 8 第一章绪论 ( 例如高电压、低气压、大电流) ，以增多溅射量来予以平衡。为获得溅射沉 积层的厚度，以及为消除阴极工件的表面氧化膜，其操作亦同。 3 、阴极及气体本身温度升高，溅射率总是随之升高；而溅射系数则在较低温度 时反而更显著，这可能是因为较低温度时由于阴极材料原子活动能力低，阴 极金属被轰击所造成的晶体缺陷不易愈合的缘故。 4 、当其他条件不变时，气压越小( 即真空度越高) ，阴极溅射越严重，这是因为 平均自由程长度大，碰撞几率小，已经溅射出来的粒子可以较远的飞离阴极 表面。气压越大时，溅射反而越小，这被认为是随着气压增加，气体密度增 大，平均自由程减小，碰撞几率增大，被溅射出来的一部分原子与气体碰撞 后，又返回阴极表面的结果。换言之，被溅射出来的原子运动因具有气体性 扩散的特征，因而可以说，前一种情况是反向扩散几率减少，后一种情况是 反向扩散几率增加。 5 、 相对的阴极溅射能力因各种金属的原子结构不同而不同，同时也受气体影响。 此外，阴极溅射效应还会对工件的尺寸、表面粗糙度、工件表面及次表面的组织 造成影响。 根据文献研究，在气体放电会对其中的化学反应产生影响，其中最可能发生的有 三种：一是放电中的自由电子直接作用到反应物质的中性原子和分子。二是通过正离 子的碰撞作用。三是在气体放电中还可能有重离子或复离子的存在，它们是靠近分子 态离子的中性分子因极化而引起的积聚。总的来讲，辉光放电中阴极部分的化学反应 将远比阳极部分活跃而且速度更大，而影响气体放电中化学反应进行的条件，一般归 纳为以下几点：一是放电电场及其强度。二是气体压力，辉光放电中，许多化学反应的 速度，随气体压力的降低而加速。三是电极性质。气体放电的化学反应，完全不必遵 循传统的法拉第电解定律，但实验证明，电极对反应过程往往起催化作用。四是器壁 材料。五是放电电流密度。六是气体在放电地带的停留时间。引起化学反应往往需要 气体在放电地带停留一个最低的临界时间，也可以说是气流的临界速度，如果速度过 快，则来不及反应。所以气体在放电地带的停留时间，即对应于气体流速的大小，对 于化学反应的速度和反应产物的数量有明显影响n 1 6 。1 。 9 华南理工大学硕士学位论文 1 3 离子轰击渗扩在奥氏体不锈钢表面处理上的应用 奥氏体不锈钢是使用最为广泛的不锈钢，而其中的1 8 8 型奥氏体不锈钢由于它具 有许多优良的性能，例如室温和高温下的高耐蚀性、优良的抗氧化性、良好的冷变形 加工性和焊接性，在室温条件下的高塑性以及无磁性等等n 8 。19 | ，得到了广泛的应用， 并且它也是目前在世界范围内应用最为广泛，其产量约占全世界不锈钢产量的三分之 一 2 0 一2 i 奥氏体不锈钢不能使用常规的热处理方法来提高其硬度和耐磨性，只能采用化学 热处理的方法对其表面进行强化。根据化学热处理过程中所渗入元素介质物理状态的 不同，可将化学热处理的工艺方法大致划分为固体法、液体法、气体法和离子渗扩法 2 2 啦! ，如下： 1 0 第一章绪论 而其中奥氏体不锈钢离子渗扩处理一般为传统离子渗氮、碳或氮碳共渗，近年来 新发展的技术中，以奥氏体不锈钢低温离子渗氮比较有代表性。 1 3 。1 传统离子渗氮 1 9 3 2 年，德国学者b b e r g h a u s 用辉光放电发明了辉光离子渗氮法，简称离子渗氮。 离子渗氮实际应用于生产是在1 9 5 7 年第一个安培晶闸管整流元件问世，使得大电流放 电技术成为可能。随后许多科学工作者进行了大量的研究工作，使离子渗氮技术得到 了飞速发展，应用范围越来越广泛瞳4 。2 引。 离子渗氮向工件表面渗入氮离子，不是像一般气体渗氮那样由氮气分解产生的氮 原子，而是被电场加速的粒子碰撞含氮气体的分子和原子而产生的离子在工件表面吸 附、富集而形成的活性很高的氮原子乜6 j 。 离子渗氮至今没有确定理论，目前比较公认的离子渗氮理论有四种：溅射和沉积 理论、氮氢分子离子化理论、中性原子轰击理论、碰撞离析理论。无论哪种机理，离 子对工件表面的轰击作用都是这些机理的基础。从离子渗氮的原理出发，不锈钢渗氮 渗氮后氮化物的形成机制有3 种可能：正离子( 包括载体气体的正离子和n 的正离 子) 在电场作用下，轰击工件表面，被溅射的f e 原子与阴极附近的活性n 原子发生反 应，重新沉积到工件表面；氮的正离子直接轰击工件表面，与被激活的f e 原子发生 反应，并向内部扩散；含氮气体在辉光放电的环境下分解或是受热分解，产生活性 的中性氮原子与工件发生反应。铬是提高不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，但它同时又 是一种强烈形成氮化物的合金元素，渗氮时它可以与氮结合形成c r n 、c r 2 n 等。 不锈钢的渗氮层组织取决于工艺参数：温度、时间和氮势。其渗氮层可出现的相 华南理工大学硕士学位论文 有丫f e 4 n 、f e 3 n 、c r n 、c r 2 n 、奥氏体“) 和铁素体( a ) 。通常渗氮层从表到里的相组 成是变化的，常常可观察到不同的亚表层。渗氮层包含如下一些亚表