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原文传递纯氮离子渗氮新工艺及离子渗氮机理研究

论文题名：	纯氮离子渗氮新工艺及离子渗氮机理研究
关键词：	离子渗氮;活性氮原子;离子临界能;离子渗氮工艺;离子渗氮机理;化学热处理;金属热处理
摘要：	常规离子渗氮工艺所采用的纯NH3或N2-H2混合气体渗氮介质，在渗氮加热过程中，气氛中氨分解的不彻底性和H2的易燃易爆性，是生产过程中存在的一种隐患。在肯定离子渗氮技术具有显著改善金属材料表面性能优势的同时，离子渗氮工艺中介质的环保和安全问题尤其值得关注。探索能够取代纯NH3或N2-H2混合气体、安全环保的渗氮介质，更好的发挥离子渗氮在金属材料表面改性方面的潜力，已成为当前离子渗氮技术发展迫切需要解决的热点问题之一。本文基于等离子体放电理论和低温化学热处理原理，研究了纯N2、N2-H2和N2-NH3等渗氮介质在辉光放电中的离解行为和能量条件，通过对离子渗氮有关的电参数、温度参数及压力参数等测定，定量计算出纯N2、N2-H2和N2-NH3等渗氮介质中N2+、H2+和NHj+在电场作用下获得的电场能和不同离子渗氮介质中离解N2分子的离子临界能，提出了纯氮离子渗氮新工艺。利用显微硬度计、金相显微镜和X射线衍射仪等测试手段，研究了渗氮钢分别在不同阴极电压和渗氮介质条件下经间歇供气闭炉离子渗氮和常规纯氨离子渗氮工艺处理后，其渗氮层的显微组织、硬度梯度分布、相组成及其相对含量，进一步分析了ε和γ’相的调幅结构，并对离子渗氮表面氮浓度进行了计算，深入探讨了离子渗氮工艺参数对活性氮原子的产生及扩散的影响和离子渗氮机理。理论分析和实验结果表明：(1)本文提出的纯氮离子渗氮新工艺，只有采用高于电压门槛值650V的阴极电压进行离子渗氮，才能使N2+离子具有离解中性N2分子的临界能48.64eV，通过N2+离子与中性N2分子的非弹性碰撞离解产生活性氮原子；纯氮离子渗氮新工艺除要求达到一定的工作电压以外，间歇供气闭炉渗氮是必备条件，否则也不能实现离子渗氮。(2)从理论上为了描述渗氮介质被离解的难易程度，提出了介质中离解N2分子的离子临界能概念；为了便于工艺参数的控制，提出了与离解N2分子的离子临界能对应的电压门槛值。(3)纯NH3、纯N2、N2-H2和N2-NH3离子渗氮的渗氮层具有类似的显微组织和相结构，主要与渗氮介质离解产生活性氮原子的气源种类、阴极电压和气体混合比有关。有利于离子渗氮介质离解产生活性氮原子的阴极电压与气体混合比的匹配，将增加表面渗氮层中高氮的ε-Fe3N相的体积百分数，提高工件的表面氮浓度和硬度，此时离子渗氮层中白亮层、扩散层和心部基体组织三部分特征非常明显。(4)因为不同渗氮介质中入射正离子与中性粒子之间非弹性碰撞产生的能量转换效率不同，导致渗氮介质离解难易程度和渗氮效果不同。如纯氮离子渗氮中离解N2分子的N2+离子临界能为48.64eV，电压门槛值为650V，而氮氢混合气、氮氨混合气中离解N2分子的H2+离子应具有的临界能均为26.06eV，电压门槛值为490V。(5)采用纯NH3、纯N2、N2-H2和N2-NH3进行离子渗氮时，其共同点是必须产生活性氮原子。N2-H2混合气离子渗氮的活性氮原子主要来自于H2+和N2+等离子与N2中性分子的非弹性碰撞离解。N2-NH3混合气离子渗氮的活性氮原子则主要来自于H2+和N2+等离子与N2和NH3中性分子的非弹性碰撞离解，其次是部分NH3的热激活分解。(6)因H2或NH3在电场能作用下离解产生高能H2+离子，H2+离子与中性粒子N2或(和)NH3分子发生非弹性碰撞时，其电场能转换为中性粒子N2和NH3分子内能的效率高，故H2或NH3的加入可有效地降低离解N2分子的离子临界能和电压门槛值，改变了N2分子的离解机制，使N2-H2和N2-NH3混合气介质比纯氮气体介质更容易离解产生活性氮原子。(7)离子渗氮层ε和γ’化合物相的形成，直接影响氮原子自界面向内层α相中的扩散，化合物相的扩散系数是控制氮原子在渗氮层内扩散的关键因子。(8)针对从氨气气体渗氮得到的氮势定义无法描述其它渗氮工艺这一问题，基于渗氮机理和热力学理论，推导出了关于渗氮气氛“氮势”的一般表达式为aN=K·P1/2N2，该式适用于不同含氮介质的气体渗氮和离子渗氮，而且也可以采用铁中的氮活度aN来表示形成γ’-Fe4N和ε-Fe3N相的临界氮势。
作者：	钟厉
专业：	材料学
导师：	周上祺
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2004
正文语种：	中文