空氣—有機液體離子氮碳氧共滲工藝及機理的研究.pdf

1、離子化學(xué)熱處理由于能顯著改善金屬材料表面性能,得到了廣泛的應(yīng)用。但是目前離子滲氮生產(chǎn)和科研中主要使用氨氣、氮氣和氫氣作為氣源,存在氨氣的污染、使用高壓氣瓶和氫氣易燃易爆的安全隱患。眾所周知,節(jié)能降耗和綠色熱處理是當(dāng)今熱處理發(fā)展的必然趨勢,離子滲氮和共滲工藝中的環(huán)保和安全問題同樣值得關(guān)注?？諝馐谴笞匀恢腥≈槐M、用之不竭的零成本氣源,而且不會造成環(huán)境污染。本文基于等離子體放電理論和低溫化學(xué)熱處理原理,研究了空氣-有機液體離子氮碳氧共滲工藝

2、和機理。為了研究空氣-有機液體離子氮碳氧工藝,首先進行了氮氣-甲烷離子氮碳工藝的基礎(chǔ)研究,然后研究了空氣-汽油和空氣-乙醇離子氮碳氧共滲工藝。利用金相顯微鏡、掃描電鏡、顯微硬度計和X射線衍射儀等測試手段,研究了40Cr鋼在不同電壓和共滲介質(zhì)條件下離子氮碳氧共滲后,其共滲層的顯微組織、相組成和硬度梯度分布,并用磨損實驗和電化學(xué)分析方法測定了共滲后的耐磨和耐腐蝕性能。理論分析和實驗結(jié)果表明:(1)空氣-有機液體離子氮碳氧共滲工藝是可行的。(

3、2)氮氣-甲烷離子氮碳共滲、空氣-汽油和空氣-乙醇離子氮碳氧共滲的滲層具有類似的顯微組織和相結(jié)構(gòu),滲層由白亮層、擴散層和心部基體組織三部分組成,層深和相組成主要與介質(zhì)種類、陰極電壓和氣體介質(zhì)混合比有關(guān)。有利于介質(zhì)離解產(chǎn)生活性氮原子的陰極電壓和合適的氣體混合比,有合適的氮、碳和氧濃度,將增加表面滲層中高氮的ε-Fe3N相的體積百分?jǐn)?shù),提高試樣表面氮濃度和硬度。(3)采用氮氣-甲烷離子氮碳共滲、空氣-汽油和空氣-乙醇離子氮碳氧共滲時,其共同

4、點是必須產(chǎn)生活性氮原子,活性氮原子主要來自于甲烷、汽油和乙醇離解產(chǎn)生的H2+、H+等離子與N2中性分子的非彈性碰撞離解。(4)隨著甲烷、汽油和乙醇流量比的增加,共滲效果先增強再減弱,分別在氮氣-甲烷、空氣-汽油和空氣-乙醇流量比為25:3、25:2.5和25:6時共滲效果最好。過多的甲烷、汽油和乙醇流量將產(chǎn)生大量的活性C原子,過多的碳原子的滲入阻礙氮的擴散。(5)汽油和乙醇的氧化重整既能消耗氧氣,降低氧偏壓,又能產(chǎn)生氫離子,從而促進活性

5、氮原子的產(chǎn)生。(6)陰極電壓的增加,有利于提高電場能,促進活性原子的產(chǎn)生,但是過高的陰極電壓對應(yīng)爐內(nèi)氣壓低,使活性原子的濃度減少。氮氣-甲烷離子氮碳共滲和空氣-乙醇離子氮碳氧共滲在電壓分別為600V和640V時共滲效果最好。采用第一性原理研究了C、N、O在Fe(111)表面上不同覆蓋度時的吸附,Fe-C(N、O)體系的化合物和固溶體的形成能,以及C、N、O在鐵中的擴散激活能和空位形成能。計算結(jié)果表明:(1)C、N和O在Fe(111)表面

6、上都是強化學(xué)吸附,O在低覆蓋度下容易吸附,而C、N在比較寬的覆蓋度范圍內(nèi)都容易吸附。(2)鐵的碳化物最容易形成,Fe3N也比較容易生成,其次為Fe4N、FeN和Fe2N,隨N含量增加,形成能降低。奧氏體的含氮固溶體比鐵素體的含氮固溶體容易形成。(3)Fe2-3(C、N)比Fe2-3N的形成能低,少量的C能促進氮化物的形成。(4)C、N和O容易在鐵的八面體間隙聚集和擴散,C、N、O三元素中,N的擴散激活能最小,過量C的滲入使N的擴散激活能