碳钢微波等离子体渗氮工艺

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1前言　　金属材料渗氮可以大幅度提高材料的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。目前工业渗氮有盐浴法、气体法和辉光离子法等。采用微波表面波耦合放电，其下游区丰富的活性原子，受微波激活具有一定的能量。用于金属材料渗氮近年才有报道。
　　A.Ricard［7］采用光谱仪，测出放电光谱，诊断下游区的活性氮原子，推测反应为：
　　N＋N＋N2—→N2(5Σ)＋N2　　(1)
) L1 i, Y4 z& Y; ~　　N2(5Σ)←→N2(B，V’＝11)　　(2)
% Q+ l2 |0 z  D) X( n　　N2(B，V’＝11)—→N2(A，V”)＋hγ　　(3)
　　以及活性N原子和石英管壁反应：
　　N＋Wall—→1／2N2＋Wall　　　(4)
　　产生的活性N原子渗氮。该工艺有许多独特的优点，不仅对材料无尺寸、位置限制，而且渗氮时间短。
2 a4 t" z9 R7 v4 t* i9 ]　　我们用自制装置进行20、45钢气体渗氮工艺，发现材料渗氮后的表面没有白层化合物形成，但材料的显微硬度却得到大幅度提高，为此进行了深入研究。
　　材料渗氮后表面出现白层，白层的脆性限制材料的应用。目前渗氮工艺都或多或少存在这一问题。为了最大限度减少渗氮材料表面的白层或消除白层，采取多种特殊工艺，如①在渗氮过程中控制气氛的参数，抑制白层生长；或材料渗氮后，再通入H2进行还原处理以减少、消除白层。②对渗氮后材料进行研磨，消除白层化合物。这些工艺不仅复杂而且耗时费力，有时还不能全部去除白层。
　　2试验装置及条件
% ?' I; y* V5 z. g　　图1为试验装置原理图。2.45GHz表面波耦合石英管放电，在远离放电区下游，只存在寿命较长的活性原子。石英管的外直径φ40mm，内直径φ32mm，长度1200mm，加热炉为自制的Ni-Cr丝管式炉，升温速度(20～30)℃／min，最高温度可达800℃。渗氮工艺：N2进气量为10～40L／h，气压250～400Pa，温度450～650℃，微波输入功率70～350W连续可调。试样φ20mm×5mm，放置离放电区500～1000mm处。渗氮前，试样表面抛光到亚镜面，以便测试样的显微硬度。金相腐蚀液为5%的硝酸乙醇液。

3试验结果

　　3.1显微硬度
　　测试设备：HX-200显微硬度计，负载砝码20g。表1列出经不同渗氮方式渗氮后45钢的硬度值。微波渗氮试样比未渗氮试样硬度提高达80%左右。
) X8 j. L4 |; ~0 F　　3.2XRD，XPS及金相分析
　　图2、3为渗氮材料X射线(XRD)分析相结构及X射线光电子谱(XPS)微观分析结果。XRD设备型号：PW-1700，kαCu，谱图显示没有ε、γ、γ′相特征峰，仅有α-Fe峰，即Fe-N固溶体。XPS设备型号：AE1 ES200B。结果显示试样表面有Fe、O、N、C等4种元素。
　　图4为20钢的金相组织照片。电子显微分析设备型号：日立X-650。照片显示试样表面没有白层。
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表1　45钢经不同工艺渗氮后硬度比较

工　　艺	气　　体［2］	辉光离子［8］	微波原子	对比试样＃
(显微硬度)/(HV)	380～400	418～435	420～436	242
(硬度增加比例)/(（％）)	56～65	73～80	74～80

　　注：＃其中微波渗氮的45钢经800℃退火处理。

　　4讨论
　　从Fe-N相变图(图略)知道，随N原子浓度增加，材料内α相被N原子饱和，通过扩散性的晶格重构化学反应，将形成Fe2～3N、Fe4N等化合物。渗氮气氛中的氮势是主要影响因素，氮势高材料表面氮浓度大，表面易生成化合物。
, g+ ^7 b9 p* A6 G0 Z/ R# W　　A.Ricard等试验测量了气压和活性原子浓度关系。光谱测定微波氮化区活性原子的浓度很高，下游区的浓度可达1015～1016／cm3，按照上述气体渗氮理论，材料表面将形成化合物，而XRD的谱图表明，没有形成化合物，这说明微波活性原子渗氮机理已经发生变化。
& Z; z' K$ k% u( d! E* J. I　　比较20钢渗氮前后XRD(图5)，发现其α-Fe(110)峰值位移发生变化，渗氮材料的晶格常数发生改变。这就是渗氮材料表面硬度提高的原因。
　　微波渗氮中活性氮原子浓度高，氮原子更容易扩散，扩散途径变化，不仅有晶界扩散，还存在有杂质少、扩散面积大的晶内扩散，扩散速度大大提高，材料表面不形成化合物，只形成α-Fe固溶体。渗氮机理已完全不同于气体渗氮。
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5结论

　　微波等离子体渗氮利用其下游区活性原子浓度高、寿命长，作为渗氮介质，它具有气体渗氮和辉光离子渗氮二者共同的优点，不仅渗氮时间短，温度低，20、45钢渗氮处理后，表面没有生成化合物，表面硬度比未渗氮的提高80%。原因为氮原子在材料内部的扩散不仅通过材料的晶界，还通过材料的晶内，使材料的晶格参数发生了变化，渗氮材料表面硬度虽然提高，但表面没有形成化合物。