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活性屏离子氮化工艺及氮的气相输运机理研究

作　者: 李孔军
导　师: 刘锦云
学　校: 西华大学
专　业: 材料学
关键词: 活性屏离子渗氮铁氮化合物气相输运机理工艺研究
分类号: TG156.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 37次
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内容摘要

活性屏离子渗氮技术是一种很好的离子渗氮方法,已经得到了应用。但关于活性屏离子氮化过程中氮原子由气相到工件表面的输运机理还没有形成共识,在一定程度上妨碍了该技术的推广应用。本文对氮原子由气相到工件表面的输运机理进行了进一步的实验研究,为深入研究活性屏离子氮化的机理奠定了新的实验基础。本文采用铜制活性屏,利用其既不吸收氮也不和氮反应的特性,在纯氮气氛下对45钢进行离子氮化,并利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计等检测手段对渗层金相组织、渗层厚度、渗层相组成、渗层显微硬度进行了细致的研究。实验结果表明:采用铜制活性屏在纯氮气氛下进行离子渗氮处理,在没有铁-氮化合物微粒和氮氢化合物离子的条件下,仍然可以获得具有较高浓度的氮化层,甚至可以生成γ’相(Fe4N),在活性屏离子渗氮过程中,活性氮原子除借助于铁-氮化合物微粒进行输运外,还有其它重要的、不可忽视的输运方式。电离产生的含氮离子在电场作用下向阴极加速运动时,可能俘获阴极发射的电子,从而转变为电中性的含活性氮的粒子,这种离子保持了含氮离子的动能,可以继续向前运动,进而可能穿过活性屏,到达工件表面,完成输运活性氮原子的任务,这是其一;其二是带电离子有可能与氮分子发生非弹性碰撞,直接产生活性氮原子,这种氮原子也可能通过飘逸、扩散等方式到达工件表面,输运一定的活性氮原子。本文还利用活性屏离子氮化技术对38CrMoAl钢进行了氮化处理,研究了在氨气气氛下渗氮温度、电压、气压和时间对氮化效果的影响,并对比了在同等工艺参数条件下经活性屏离子氮化与脉冲离子氮化的效果。实验结果表明:随氮化温度的升高,渗层的厚度和表面硬度都随之增加,渗氮气压、电压对活性屏离子渗氮试样表面硬度影响不大,在相同工艺参数下活性屏离子渗氮可以取得和脉冲离子渗氮一样的效果。实验确定氨气气氛下活性屏离子渗氮的较好工艺参数为:渗氮温度550℃、渗氮时间4h、气压400Pa、电压900V。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-26
  1.1 等离子化学热处理技术  9-15
    1.1.1 等离子体概念  9-10
    1.1.2 等离子化学热处理基础  10-14
    1.1.3 等离子化学热处理工艺特点  14-15
  1.2 离子渗氮的最新进展  15-20
    1.2.1 直流离子渗氮技术  15-16
    1.2.2 脉冲离子渗氮技术  16
    1.2.3 活性屏离子渗氮技术  16-17
    1.2.4 等离子源离子渗氮技术  17-18
    1.2.5 低温离子渗氮技术  18-19
    1.2.6 离子注入渗氮技术  19
    1.2.7 新离子渗氮技术共性模型  19-20
  1.3 离子渗氮机理的发展  20-24
    1.3.1 阴极溅射渗入机理  20-21
    1.3.2 氮氢分子离子化机理  21
    1.3.3 氮的中性原子渗入机理  21-22
    1.3.4 碰撞离解机理  22
    1.3.5 “溅射-沉积”机理模型  22-23
    1.3.6 “溅射-吸附-解吸”模型机理  23-24
  1.4 本课题研究目的、内容、意义和技术路线  24-26
2 试验材料与方法  26-30
  2.1 试验材料及前期处理  26
  2.2 试验设备  26-28
  2.3 试验方法  28-29
  2.4 分析测试方法  29-30
    2.4.1 金相组织观察  29
    2.4.2 扫描电子显微镜观察  29
    2.4.3 X 射线衍射分析  29
    2.4.4 显微硬度测试  29-30
3 纯氮气氛下铜制活性屏离子渗氮实验  30-59
  3.1 实验结果分析  31-46
    3.1.1 渗层形貌观察  31-33
    3.1.2 渗层成分分析  33-38
    3.1.3 XRD 分析  38-40
    3.1.4 正交试验分析  40-41
    3.1.5 重复实验结果分析  41-46
  3.2 分析与讨论  46-57
    3.2.1 活性氮原子的产生及能量条件  48-51
    3.2.2 活性氮原子的输运  51-52
    3.2.3 活性氮原子的吸附  52-53
    3.2.4 活性氮原子的扩散  53-55
    3.2.5 活性屏装置对渗氮效果的影响  55-57
    3.2.6 供气方式对渗氮效果的影响  57
  3.3 小结  57-59
4 氨气气氛下活性屏离子渗氮的应用研究  59-77
  4.1 试验方案  59-61
  4.2 试验结果与讨论  61-68
    4.2.1 渗氮温度对渗氮层的影响  61-63
    4.2.2 渗氮电压对渗氮层的影响  63-65
    4.2.3 渗氮气压对渗氮层的影响  65-67
    4.2.4 渗氮时间对渗氮层的影响  67-68
  4.3 活性屏离子氮化和脉冲离子氮化的对比实验  68-75
    4.3.1 金相观察  68-71
    4.3.2 渗层能谱对比分析  71-73
    4.3.3 XRD 对比分析  73-74
    4.3.4 显微硬度梯度对比  74-75
  4.4 正交分析  75-76
  4.5 小结  76-77
5 结论  77-78
参考文献  78-81
攻读硕士学位期间学术论文及科研情况  81-82
致谢  82-83

活性屏离子氮化工艺及氮的气相输运机理研究

内容摘要

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