（材料学专业论文）45＃钢液相等离子体电解渗透表面改性技术研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 液相等离子体电解渗透是一门新兴的材料表面处理技术。使用该技术可对黑 色金属及其合金表面进行较快速渗碳、渗氮、碳氮共渗等，从而提高材料的耐磨、 耐腐蚀等性能。 本课题是采用液相等离子体电解渗透技术对4 5 4 钢进行表面改性处理。重点是 实验优化部分研究。在该部分中主要研究了：氯化钠甘油体系下的4 5 4 钢液相等 离子体电解渗透的电解液配方组成及脉冲数、电流占空比、电流频率对4 5 4 钢表面 制备表面改性层的影响。通过实验找到能制得性能优异的表面改性层的条件。在 电解液配方、工艺参数确定的基础上，在氯化钠甘油、氯化钠甲酰胺两种电解液 体系下，研究处理时间对表面改性层的影响。分析比较不同时间在同种电解液和 相同时间在不同电解液中表面改性层的变化。并借助s e m 、e p m a 、x r d 等现代 检测分析手段，观察了表面改性层的形貌、结构、并测定了表面改性层的相组成 及能谱分析等。 研究表明，在氯化钠甘油、氯化钠甲酰胺电解液体系的实验初始阶段，电阻 ( 被处理试样) 电压电流特性遵循欧姆定律，若极间电压继续增大，那么电流也较 快地增大，此时，不再符合欧姆定律。电参数对表面改性层性能也有一定的影响， 如脉冲占空比，脉冲宽度决定了电火花放电的持续时间和密度，脉冲宽度的增大， 有利于提高表面改性层的硬度，但过高的脉冲宽度会使放电更加剧烈，从而增大 试样表面的粗糙度。电解液组成对表面改性层有着深远的影响，不同的电解液， 表面改性层的生长速率、结构、成分和元素分布皆有所不同。等离子体电解渗透 过程中，温度对工艺影响较大，温度过高时，工作电压不能太高，若电压过高，电 解液易飞溅，表面改性层也易被局部烧蚀或击穿。 4 5 4 钢液相等离子体电解渗透的表面改性层由膜层、渗透层、过渡层三部分组 成。应用交流脉冲电源，在氯化钠甘油、氯化钠甲酰胺两种电解液体系下实现了 渗碳、碳氮共渗处理。4 5 4 钢在同种电解液中随处理时间的延长表面改性层厚度逐 渐增加，随处理时间的延长，渗透速率减小，这是因开始阶段工件周围的等离子 体区的浓度较大，致使工件表面与等离子体区产生浓度梯度差，此时活性原子开 始渗入，由于活性原子渗入到工件表面，致使工件表面和内部又产生浓度梯度， 所以活性原子由表面继续向内部扩散，处理时间达到一定值时，工件表面与内部 的浓度梯度减小，此时活性原子渗入速度减慢，所以厚度在达到一定值时，增速 变缓，使渗透速率减小。在不同电解液中处理相同时间时氯化钠甲酰胺电解液体 系的渗透效率相对较高，得到表面改性层质量相对较好。同种电解液中随处理时 4 5 = 钢液相等离子体电解渗透表而改性技术的研究 间的延长4 5 ”钢表面孔洞增多，这些孔洞是局部膜被击穿、等离子体放电形成的通 道。同种电解液体系下，处理不同时间时4 5 4 钢的表面改性层的成分、相组成基本 相同；不同电解液体系下，处理相同时间表面改性层的成分、相组成不同。本实 验中表面改性层的主要成分为f e 、c 、n ，主要相是铁碳、铁氮的化合物，又因铁 碳、铁氮都是强化相，从而可提高4 5 4 钢的表面性能。通过对被处理试样进行维氏、 布氏、显微硬度的分析知，被处理试样的硬度有较大提高。在氯化钠甲酰胺体系 中进行碳氮共渗处理时形成的改性层厚度及硬度较佳。通过电子探针和能谱分析 进一步确定了实现渗碳、碳氮共渗的可能性，并且渗入元素分布较均匀。 关键词：液相；等离子体电解渗透；4 5 件钢；渗碳；碳氮共渗 i i a b s t r a c t p l a s m ae l e c t r o l y t i cs a t u r a t i o ni ns o l u t i o ni san e w t e c h n o l o g yi nm a t e r i a l s ，s u r f a c e t r e a t m e n t w e a rr e s i s t e n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t e n c ea r ei m p r o v e db y a d o p t i n gp e s t e c h n o l o g ys a t u r a t i n gc a r b o n 、n i t r o g e n 、c a r b o n i t r i d i n gr a p i d l yi n t of e r r o u sm e t a l s m a t e r i a ls p l a s m ae l e c t r o l y t i cs a t u r a t i o ni ns o l u t i o nw a sa p p l i e df o rs u r f a c em o d i f e do f 4 5 # s t e e l t h ee x p e r i m e n to p t i m i z er e s e a r c hi sa ni m p o r t a n tp a r t i nt h i sp a r t ，t h ef o r m u l a t e o fn a c l c 3 h 8 0 3s y s t e mh a sb e n no p t i m i z e d t h ep u l s e s ，o c c u p y e m p t yr a t i o ，c u r r e n t f r e q u e n c yi n f l u e n c ef o r m a t i o no fs u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e ro nt h e4 5 群s t e e lb vp e s a r ea l s os t u d i e d t h ec o n d i t i o no f f o r m i n ge x c e l l e n ts u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e ri sf o u n d t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s o nt h eb a s i so f e l e c t r o l y t ef o r m u l a t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r s d e t e r m i n e dp r i n c i p l e s r e s e a r c ht r e a t m e n tt i m et ot h ee f f e c t so fs u f f a c em o d i f i c a t i o n l a y e ri nn a c1 一c 3 h 8 0 3s y s t e ma n dn a c 1 - h c o n h 2s y s t e m t h es u r f a c em o d i f i c a t i o n l a y e rc h a n g e sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e da tt h es a m et i m et od i f f e r e n tt y p e so f e l e c t r o l y t ea n dd i f f e r e n tt i m et ot h es a m ee l e c t r o l y t e m o r p h o l o g y ，s t r u c t u r eo fs u r f a c e m o d i f i c a t i o nl a y e ri so b s e r v e db ys e m t h ep h a s ec o n s t i t u eo fs u r f a c em o d i f i c a t i o n l a y e ri sm e a s u r e db yx r da n ds oo n t h es t u d ys h o w e dt h a tr e s i s t a n c e ( t ob ed e a l tw i t h s a m p l e s ) v o l t a g e c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c sf o l l o wo h m sl a wa tt h ei n i t i a ls t a g eo ft h ee x p e r i m e n ti nn a c 1 c 3 h 8 0 3 s y s t e ma n dn a c i - h c o n h 2s y s t e m i ft h ev o l t a g eb e t w e e ne l e c t r o d e sc o n t i n u e st o i n c r e a s et h e nt h ec u r r e n ta l s oi n c r e a s e sr a p i d l ya tt h i st i m e ，n ol o n g e ra c c o r dt h e o h m s l a w t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ns u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e r 。s u c ha st h e o c c u p y e m p t yr a t i op u l s e s ，p u l s ew i d t hd e t e r m i n e st h ed u r a t i o no fs p a r kd i s c h a r g ea n d t h ed e n s i t y ，t h ei n c r e a s e dp u l s ew i d t ha n dw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h eh a r d n e s so ft h e s u r f a c em o d i f i e dl a y e r ，b u ta f t e rh i g hd i s c h a r g ep u l s ew i d t hw i l lb e c o m em o r ei n t e n s e t h u si n c r e a s i n gt h es u r f a c er o u g h n e s so ft h es a m p l e s e l e c t r o l y t el a y e rf o r m e do nt h e s u r f a c em o d i f i c a t i o nh a sf a r r e a c h i n gi m p l i c a t i o n s ，d i f f e r e n t e l e c t r o l y t et h eg r o w t h r a t eo fs u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e rs t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o na n de l e m e n t sd i s t r i b u t i o na r e d i f f e r e n t t h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nt h ep r o c e s so fp l a s m ae l e c t r o l y t i cs a t u r a t i o n ， t h et e m p e r a t u r ei st o oh i g h ，t h ev o l t a g eo fw o r kc a l ln o tb et o oh i g h ，i ft h ev o l t a g ei s t o oh i g h ，e a s yf l y i n ge l e c t r o l y t e ，l o c a la b l a t i o no rb r e a k d o w na r ee a s yo c c u rs u r f a c e m o d i f i c a t i o nl a y e r t h es u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e ro f4 5 4s t e e li sm a d eu po fp e sc o a t i n g ，d i f f i c u s i o n i i i 4 5 ：钢液相等离子体电解渗透表而改性技术的研究 l a y e ra n dt r a n s i t i o nl a y e r a p p l i e da cp u l s ep o w e ri nn a c1 一c 3 h 8 0 3s y s t e ma n d n a c1 - h c o n h 2s y s t e mc a na c h i e v ec a r b u r i s n ga n dc a r b o n i t r i d i n gl a y e ri n4 5 井s t e e l t h et h i c k n e s so fs u r f a c em o d i f i c a t i o ng r a d u a li n c r e a s ea st h ep r o c e s s i n gt i m et oe x t e n d i nt h es a m ee l e c t r o l y t e ，w i t ht h et r e a t m e n tt i m ee x t e n s i o n ，t h er a t eo fi n f i l t r a t i o ni s r e d u c e ，w h i c hi sd u et ot h ec o n c e n t r a t i o no fp l a s m ar e g i o nr e l a t i v e l yh i g ha tt h ei n i t i a l s t a g e ，t h ea c t i v i t yo fa t o m sb e g i n n i n go fi n f i l t r a t i o nw h e ns u r f a c ea r e ao fw o r ka n dt h e p l a s m aa e r af o r mc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t ，t h ea c t i v i t yo fa t o m si n f i l t r a t i o nt ot h e s u r f a c ew o r k p i e c e ，c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n ta r ec r e a t e di ns u r f a c ea n di n t e r n a l ，s ot h e a c t i v i t y o fa t o m s f r o mt h es u r f a c et oc o n t i n u et ot h ei n t e r n a ld if f i c u s i o n ，t h e p r o c e s s i n g t i m e u p t oac e r t a i nv a l u e ，t h e w o r k p i e c es u r f a c ea n dt h ei n t e r n a l c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n ta r er e d u c ea n da c t i v i t ya t o m i ci n f i l t r a t i o ns p e e da r es l o w e d ，s o w h e nt h i c k n e s sr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，t h eg r o w t hr a t e s l o w i n gd o w nw i t ht h e i n f i l t r a t i o nr a t er e d u c e d i f f e r e n te l e c t r o l y t es y s t e m d e a l i n g w i t ht h es a m et i m e p e n e t r a t i o ni sr e l a t i v e l yh i g he f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo ft h es u r f a c em o d i f i e dl a y e ri s r e l a t i v e l yg o o di nn a c1 - h c o n h 2s y s t e m s u r f a c eh o l e si n c r e a s e dw i t ht h ep r o c e s s i n g t i m ee x t e n di nt h es a m e e l e c t r o l y t es y s t e m ，t h eh o l e sw e r ep a r t i a l l ym e m b r a n e b r e a k d o w n ，t h ep l a s m ad i s c h a r g ef o r m a t i o nc h a n n e l t h es a m ee l e c t r o l y t es y s t e md e a l w i t hd i f f e r e n tt i m et h ec o m p o s i t i o ns u r f a c eo fm o d i f i c a t i o nl a y e ra n dp h a s e sa r e b a s i c a l l ys a m e d i f f e r e n te l e c t r o l y t es y s t e md e a l i n gw i t ht h es a m et i m et h ec o m p o s i t i o n s u r f a c eo fm o d i f i c a t i o nl a y e ra n dp h a s e sa r ed i f f e r e n t t h i ss u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e r m a i n l yc o m p o s e do ff e ，c ，n ，t h em a i np h a s e sa r ef e - c ，f e - nc o m p o u n d s ，b e c a u s eo f f e c ，f e np h a s ei se n h a n c e d ，w h i c hc a l li m p r o v et h es u r f a c eo f4 5 4s t e e lp e r f o r m a n c e b ep r o c e s s e dt h r o u g ht h es a m p l ev i e k e r s ，b r i n e l l ，m i c r o h a r d n e s s a n a l y s i s i s u n d e r s t o o dt h a tt h eh a r d n e s so ft h es a m p l eb e i n gp r o c e s s e da r eg r e a t l ye n h a n c e d i n n a c1 一h c o n h 2s y s t e mo fc a r b o n i t r i d i n gt h et h i c k n e s so fm o d i f i e dl a y e ra n dh a r d n e s s b e t t e r t h r o u g he p m aa n de d sa n a l y s i s f u r t h e ri d e n t i f i e dt h e p o s s i b i l i t y o f c a r b u r i z i n g ，c a r b o n i t r i d i n ga n di n f i l t r a t i o no fe l e m e n t sd i s t r i b u t i o nam o r ee v e n k e yw o r d s ：s o l u t i o n ；p l a s m ae l e c t r o l y s i ss a t u r a t i o n ；c a r b u r i z i n g ；e a r b o n i t r i d i n g i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：易艮蒙 聃：7 “月q 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：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名 强兹 日期：7 年夕月。日 聃：。j 7 年彤? 一 硕士学位论文 1 1 钢铁的表面处理现状 第1 章绪论 钢铁具有高强度、高韧性、易加工、成本低等优点，但其最大的缺点就是易 锈蚀和磨损，因此很大地限制了它的使用范围。通过表面改性技术对钢铁进行表 面处理可以大大提高其耐磨和耐蚀性，从而解决这个问题。长期以来，金属材料 一直是最重要的结构材料和功能材料。尤其是钢铁材料，在建筑、造船、车辆、 桥梁、国防等国民经济行业中都有广泛的使用【l 】。为了满足高强度、高硬度、耐磨 和耐蚀等不同的特殊要求，人们不断开发多种特殊的合金材料，但这些合金材料 往往价格昂贵。因此，人们尝试使用表面改性技术，因为磨损、腐蚀等失效都是 首先发生在材料表面的【2 】。 1 1 1 钢铁一般的表面改性技术方法 材料表面改性是通过将某种元素“注入”到基体内，或将某种元素“扩散”进入基 体内，从而在基体表面形成不同于基体的功能层【3 1 。工业技术的发展使得制造工业 产品所需的材料品种日益繁多，为了适应高硬度和耐磨、耐酸碱腐蚀等不同特殊要 求，人们试图采用各种表面技术对普通材料表面进行加工，或形成涂覆层，或形成扩 散层，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境【4 1 。另外，通过对材料表面进行有 效处理，可以极大地提高材料寿命。广泛采用最近发展的金属表面改性技术有热喷 涂、激光熔覆、热浸镀、等离子体渗氮、渗碳及碳氮共渗技术等【5 】。它们在各自领 域发挥着重要作用，但都存在一定的缺点和局限性。 1 1 1 1 热喷涂技术 热喷涂处理就是在钢铁的表面复合了一层陶瓷，使它比普通的金属具有更好 的优良特性【6 】。热喷涂是现代多种熔射工艺的总称，是利用一种热源把某种材料的 粉末或丝材熔化，通过一种附加的气流或作为热源本身，将被熔化的材料以离子 状态推动，加速并射出。当喷射出的离子束撞击到一个基体上时，瞬间就会在上 面形成沉积层，层层叠加，形成所需的厚度膜层，这就是热喷涂的一般过程。热 喷涂具有高温，高速气氛可控的特点，尤其适合喷涂高熔点，高硬度和高脆性等 难加工的材料，所获得的耐磨层硬度仅次于金刚石，磨后的光洁度可达镜面一般。 热喷涂技术的主要特点是可在任何表面上进行喷涂。喷涂材料根据使用条件 而变化，对于易磨损部件，当涂层磨损后，可以进行复喷。根据热源来分，热喷涂 有4 种基本方法【7 】：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特殊喷涂，火焰喷涂就是 4 5 。钢液相等离子体电解渗透表面改性技术的珂f 究 以气体火焰为热源的热喷涂，电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂，等离子喷涂是 以等离子弧为热源的热喷涂。 热喷涂技术也有其不足之处，如：设备较贵、较重，特别是电弧喷涂喷枪较 重，噪声较大，人工操作环境差等；并且热喷涂技术存在着涂层与工件的结合强 度低于工件材料的强度、涂层与工件的结合强度难以进一步提高等问题，也难以 形成高溶点、难熔合金或复合( 如陶瓷粉末等复合) 粉末涂层；而且热喷涂过程热影 响区大，涂层与工件之间存在大的热应力，同时由于晶粒长大也难以实现具有特 殊性能的超细晶、纳米晶涂层。加工后陶瓷涂层的均匀性、尺寸精度以及表面粗 糙度差，而且重整及修复困难；金属及合金基体与陶瓷涂层之间的结合属于机械 结合，陶瓷层内有大量的气孔，内应力、结合强度、抗冲击性及耐腐蚀性都不是 很理想【引。 热喷涂技术的应用十分广泛。热喷涂是最先在航空领域发展起来的，然后逐渐 辐射到其它的工业领域。目前主要在航空航天、高温超导、电磁电子、生物医学 和复合材料5 个方面应用1 9 l 。 1 1 1 2 激光熔覆技术 激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材 料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与 基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电气特性等的工艺方法【l0 1 。 激光熔覆技术始于7 0 年代初。1 9 7 4 年，美国a v c o 公司的e v e r t 实验室和 m e t c o 公司进行了长期的实验室实验，并于1 9 7 8 年先后报道了它们的研究成果。 之后，日美英法意德等发达国家也相应地开展了这方面的研究工作。我国对此研 究始于8 0 年代初。经过二十多年的艰苦努力，在提高材料表面的耐磨性和耐腐蚀性 方面取得的可喜成绩，有些研究成果已达到了国际领先水平，激光熔覆技术已在工 业上取得了广泛的应用。 激光表面熔覆可在低性能的廉价钢材上获得高性能的贵重合金钢表面，节约 稀有贵重的战略资源，具有很大的发展潜力。激光熔覆技术在4 5 撑钢上的应用有： 如应用激光熔覆技术在4 5 0 钢表面熔覆了t i c p 增强n i 基合金复合涂层，显著提高了 涂层的耐磨性【1 1 】。利用多道搭接激光熔覆技术，在4 5 4 钢表面制备出原位自生t i b 2 颗粒增强n i 基金属陶瓷复合涂层，可以实现金属基体的高韧性与陶瓷材料优异性能 的良好结合，改善材料表面性能【1 2 1 。 激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报 道，但大部分停留在组织、性能分析，工艺参数的控制阶段，增强相的尺寸、间 距和所占的体积比还不能达到可控制的水平，梯度功能是通过多层涂覆形成的， 不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题，距离实用还有相当长的路。激 光熔覆的方法存在的缺点就是易产生裂纹等缺陷。而激光熔覆工艺性强，材质、 2 硕十学何论文 涂厚不同，工艺参数如输出功率、光斑尺寸、搭接率、扫描速度等均应作严格设 计和调整，要求操作人员要有一定的技术水准【1 3 1 。对可加工零件的形状、尺寸要 求高：如内孔、盲孔、异型体等加工难度大；激光熔覆容易使基体出现过烧现象， 影响其性能。 1 1 1 3 热浸镀 热浸镀又称热镀，是一项具有使钢铁件表面强化、表面防护和表面美化综合 作用的防护手段【1 4 】。它是金属镀层保护法中工业化最早的方法。热浸镀锌是当今 世界上应用最广泛的钢材防腐方法f 1 5 】。热浸镀铝是把预处理过的钢铁材料浸入熔 融的铝液中，保温一段时间取出，使其表面镀一层铝，从而在表面形成一层f e - a l 合金层。一个世纪以前，人们就认识到钢铁材料镀铝后构成的新材料带给人们的 利益，因为它既具有钢的强度又具有铝的特性【1 6 j 。尽管在1 8 9 3 年就出现了钢铁材 料热浸镀铝的第一个专利，但直到1 9 31 年德国人a 豪特曼( h a u t t m a n ) 发表关于 热浸镀铝钢耐热性的研究报告以后，镀铝钢材的生产和应用才逐渐扩展开来【1 7 j 。 目前镀铝钢材的生产主要集中在美，日两国，技术已趋于成熟。国内镀铝钢材的 发展始于6 0 年代。热浸镀铝微弧氧化技术是在此基础上发展起来的一项表面改性 技术【1 8 】。该技术是钢铁表面热浸镀铝后再进行微弧氧化，其实质是在铝表面生成 陶瓷膜 1 9 】，从而提高铝的耐磨、耐腐蚀性能。 热浸镀缺点是助镀工艺技术难度大，工艺不易控制，而且助镀液要现用现配， 稳定性差、易失效、易造成漏渗，所以热浸镀铝的废品率较高( 占2 0 3 0 ) 。 另外，热浸镀坩埚浸蚀严重，耐热铸铁坩埚使用5 - 6 次即被腐蚀穿孔，是尚未解 决难题【2 0 1 。 1 1 2 钢铁渗碳、渗氮及碳氮共渗技术 化学热处理是使工件表面渗入一种或几种化学元素的原子，从而改变工件表 面的化学成分、组织和性能。经淬火和低温回火后，工件表面具有高的硬度、耐 磨性和接触疲劳强度，而工件的芯部又具有高的强韧性。化学热处理生产周期长、 不便于实现机械化、自动化生产【2 1 1 。 化学热处理是将工件置入含有活性原子的特定介质中加热和保温，使介质中 一种或几种元素( 如c 、n 、s i 、b 、a l 、c r 、w 等) 渗入工件表面，以改变表层 的化学成分和组织，达到工件使用性能要求的热处理工艺。其特点是既改变工件 表面层的组织，又改变化学成分。它比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和疲劳 强度，并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。 化学热处理原理【2 2 1 ：各种化学热处理原理都是由以下三个基本过程组成的 1 ) 分解由介质中分解出渗入元素的活性原子； 3 4 5 2 钢液相等离子体i u 解渗透表面改性技术的研究 2 ) 吸收工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种，即活性原子由 钢的表面进入铁的晶格形成溶体，或与钢中的某种元素形成化合物； 3 ) 扩散已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面往里迁移，形成 一定厚度的扩散层。 1 1 2 1 渗碳技术 、 渗碳工艺在中国可以上溯到2 0 0 0 年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳， 液体和气体渗碳是在2 0 世纪出现并得到广泛应用的。美国在2 0 年代开始采 用转筒炉进行气体渗碳。3 0 年代，连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。6 0 年代高温( 9 6 0 1 1o o ) 气体渗碳得到发展。至7 0 年代，出现了真空渗碳和离 子渗碳。渗碳是一种在工业中获得广泛应用的表面硬化技术【2 3 1 。由于离子渗碳具 有生产率高、劳动条件较好以及可以直接淬火等优点，且在渗碳工业中得到最广 泛应用。 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【2 4 1 。它是渗碳 介质在工件表面产生的活性碳原子经过表面吸附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【2 5 1 。 离子渗碳与离子渗氮相比，主要不同点在于通入炉中的气体介质。离子渗碳 时通入c h 系气体。图1 1 是真空离子渗碳装置【2 6 1 。如图所示，该装置是真空离 子渗碳炉的一种，是由加热室和油冷室二室型真空热处理炉。加热室( 渗碳室) 是用石墨毡绝热，用石墨作为加热电极的电阻加热式炉，零件被辐射加热。同时， 还配置了能够产生持续稳定的异常辉光放电的高压电极( 阳极) ，它与试料台( 阴 极) 之间能产生辉光放电，并能保证这种辉光放电机构正常工作。 图1 1 真空离子渗碳装置【2 6 】 f i g 1 1t h ee q u i p m e n to fi o ne a r b u r i z i n go ft h ev a g u u m 2 6 】 1 气冷用风扇2 热交换器3 工件移动机构4 油冷却室5 油搅拌器6 油加热7 油 冷却用热交换器8 工作台( 阴极) 9 气体导入口l o 加热室1 1 绝热材料 4 硕十学t f 7 ：论文 舅a m 一_ i i 皇曼皇量曼皇曼量量量皇曼曼曼量量喜曼曼量量量量曼曼曼曼皇曼鼍曼詈鼍鲁皇量曼喜曼皇曼皇量罾皇曼曼曼鼍舅量量量皇量量喜皇曼量曼量皇皇 1 2 发热体及阳极1 3 隔板 离子渗碳是将工件放入真空室内，在低压的c h 气氛中( 主要原料气是碳氢 化合物如c 3 h 8 或c h 4 等) 加热，并且工件( 阴极) 和阳极间要加个直流高压电 场，引起辉光放电，产生等离子流。由电离的气体产生的碳原子被阴极附近急剧 的电位降加速，并轰击阴极( t 件) 的表面从而进行渗碳。 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、快速地进行；渗碳层表面碳浓度与渗层温度易控制，即可通过控制气氛电 压与辉光放电电流密度而自由地加以调节，方法简便，渗碳效率高等。 1 1 2 2 渗氮技术 渗氮又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面 层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。钢铁渗氮的研究始于2 0 世纪初，2 0 年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢， 后来才扩大到其他钢种。从7 0 年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展 并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之 一。目前生产中多采用气体渗氮法为了提高钢铁零件的疲劳强度、耐磨性及抗 蚀能力。但是气体氮化法生产周期太长( 如3 8 c r m o a i 钢为获得0 5 m m 的渗层， 需要6 0 - - 7 0 h ) 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1 9 3 2 年，但实际应用还是最近的事。我国对辉光离子氮化的研究 始于6 0 年代，7 0 年代初投入实际应用。 离子氮化与普通渗氮相比具有以下优点1 2 7 j ： 1 快速饱和，大大地缩短了过程的时间，能控制过程，得到预定的成分和组织的 扩散层； 2 能够渗氮钝化的材料； 3 较大的经济效益，提高了电能和饱和气的利用系数； 4 无毒，符合保护周围环境的要求。 但是也有其缺点，如设备费用较大，目前准确测温度尚未完全解决，不适于 大批量生产，其工艺成本仍然较高。由于离子氮化的以上的独特的优点，因而受 到国内外热处理行业的普遍重视，并获得飞速发展。 图1 2 为离子氮化装置简图【2 8 】：图1 3 为离子氮化原理图【2 引。 5 ：i ：型堡竺：篁三! ：兰墼量耋童雪鳘：些尘坚：呈! 图12 离子氮化装置图口” f i g12 t h ee q u i p m e n t o f i o nn i t r i d i n g 1 供电系统2 - 真空罩3 一真空室底板4 玻璃管5 - 放气阀6 - 阀门7 放气阀 8 z x 5 型真空泵9 - 阳极1 0 阴极( 件) 1 1 工作台1 2 - 进气管1 3 - l e b 型单 流量计1 4 u 型水银压力计1 5 氩调压阀1 6 氮瓶1 7 测温头1 8 - 热电偶1 9 测溢仪表2 0 安全罐 厂脚蹄 ，9 。* 8 描；一+ 弋一一一 。e e w 6 铲” 毒c * 毒芝扎。 五 4 鞭 图1 3 离子氮化原理图 f i gl3t h e o r yc h a n o r i o nn i t r i d i n g 【2 8 】 离子所具有大的动能，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1 3 上的c 、o 、 f e ) ，被击出来的铁原子和带电的原子态氮相结合，生成f e n ，f e n 有附着作用而 吸附在工件上，由于高温及离子的轰击作用，f e n 又很快转变成低价氮化物( 如 f e 2 3 n 、f e 。n ) 而放出氨，氮原子渗入工件表面并向内部扩散形成氮化层，一部分 氯回到放电的等离子区的气体中和其它的氯一样，重新参与氮化作用畔j 。 离子氮化由于有很多独特的优点，而且在碳钢、铸铁、合金钢、不锈耐热钢、 硕十学位论文 粉末冶金制品、钛合金等均有显著的氮化效果，所以它是具有广阔的表面强化工 艺之一。当前仍在深入研究，主要有下列三个方面的动向： 1 研究和控制淡化层组织，提高淡化层性能。 2 扩大离子氮化的应用。 3 提高离子氮化设备的自动化程度。 1 1 2 3 碳氮共渗技术 碳氮共渗处理是将工件放在能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使 工件表面同时渗入碳和氮原子的化学热处理工艺。 碳氮共渗与渗碳相比有以下优点：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 的温度下进行共渗，工件不易过热，而且可直接淬火，淬火变形小。离子碳氮共 渗是在离子氮化的基础上发展起来的。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【3 0 1 。 离子碳氮共渗根据共渗温度的不同可分为低温碳氮共渗( 5 0 0 - 6 0 0 ) ，中温 碳氮共渗( 7 8 0 - 8 8 0 ) 和高温碳氮共渗( 9 0 0 一- - 9 5 0 ) 。根据渗层的深度不同又 可以分为薄层碳氮共渗和厚层碳氮共渗【2 5 1 。 图1 4 离子碳氮共渗装置示意图1 2 5 j f i g1 4t h es k e t c hm a po fi o nc a r b o n n i t r i d i n ge q u i p m e n t l 2 5 1 1 供电装置2 真空罩3 工件4 抽气装置5 测量真空度装置6 x c t - 1 0 1 7 储氮瓶8 酒精瓶9 流量计 离子碳氮共渗也是将工件放在真空室内，如上图1 4 【2 5 】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介高压直流电源的阳极，将真空 室内通入少量含碳氮气体，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4 0 0 - 6 0 0 v ) 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试样( 阴极) 表面，使工件均匀加热的所需的温度。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 7 4 5 = 钢液相等离子体i l ! 解渗透表面改性技术的研究 皇舅曼曼曼皇曼量量| 量| 量曼曼曼曼量量曼皇量皇罾曹量舅i 皇曼皇皇量量皇曼量皇曼曼曼量量璺喜量喜量量量舅| 昌量皇曼皇曼曼曼量量量曼曼量喜量鼍量 向工件内部扩散，形成所需的碳氮共渗层。 1 1 2 4 传统渗碳、渗氮、碳氮共渗的优缺点 渗碳、渗氮、碳氮共渗的优点：提高工件的耐磨耐蚀性能。 表1 1 传统渗透效果 t a b l e1 1t h ee f f e c to ft r a d i t i o ns a t u r a t i o n 钢号处理方法处理时间表面改性层厚度参考文献 2 0 钢气体渗碳 1oh 9 0 1 咀m【31 】 1 2 c rn i 3 离子渗碳 4 5h 1 1 0 “m【3 2 】 38 c r m o a l 气体渗氮 6 0 - - - 7 0 h 5 0 0 p m 【2 7 】 5 c r 2lm n 9 n i 4 n离子渗氮 3 5 h 7 0 j - t m【3 3 】 1 6m n 钢 碳氮共渗 5 5 h 1 5 0 p m【3 4 】 缺点：传统渗碳、渗氮、碳氮共渗时间的延长，不仅增加能耗，而且降低生 产效率。因此，为达到快速、深层渗碳、渗氮、碳氮共渗等目的，许多研究者从 多方面进行了研究，已取得了一些有意义的成果。液相等离子体电解渗透技术是 最近几年新兴的快速渗透技术，目前处于研究阶段。 1 2 钢铁表面液相等离子体电解渗透( p e s ) 技术的发展及现状 液相等离子体电解渗碳、渗氮及其碳氮共渗技术是一种新兴的表面技术，其 与传统的离子渗碳、渗氮及其碳氮共渗技术相比优点是工件处理时间短、整体工 件受热轻微、处理完成可以即时淬火等优点。 液相等离子体电解渗透之所以称为液相，是因为渗碳、渗氮及其碳氮共渗技 术是在电解液中实现的。 1 2 1 p e s 技术产生的背景及概念 尽管一个多世纪以前s l u g i n o v 发现了伴随电解产生的放电现象【3 5 】，并且在2 0 世纪3 0 年代g n n t e r s c h u l t z e 和b e t z 进行深入研究，但是直到2 0 世纪6 0 年代才 第一次被应用到实践。当时m c n i e l l 和g r u s s 用了火花放电在含有铌的电解液中 把铌沉淀到镉阳极上【3 6 】。2 0 世纪7 0 年代m a r k o v 和他的同事发现了在弧放电的条 件下对铝氧化沉积技术。后来，这项技术得到发展并被称为“微弧氧化”【”】。2 0 世 纪8 0 年代，利用表面弧光放电在不同的金属上进行阳极氧化沉积技术，被俄罗斯的 s n e z h k o 、m a r