M50钢离子源辅助渗氮层的组织与性能

发布时间：2020-10-30 18:44

　　 本文以高端轴承应用为背景,研究M50钢阳极层离子源辅助渗氮层组织和性能,在减少对试样表面粗糙度影响的基础上,获得所需的组织与性能。研究了阳极层离子源等离子体的产生特性,分析空间位置、等离子体供电电流、炉内气压对等离子体密度与离子能量的影响及变化规律;研究了渗氮温度、含氮等离子体密度、炉内气氛与气压、渗氮时间对M50钢阳极层辅助离子源渗层组织性能的影响;同时作为对比试验,分析了参数对M50钢辉光放电辅助渗氮层的组织与性能的影响。采用朗缪尔探针对产生的等离子体密度与能量进行测量分析;采用OM、SEM、EDS对渗层组织结构、磨痕形貌、磨痕元素成分、磨损量进行观察计算分析;对渗层的硬度梯度分布、摩擦磨损性能进行测试分析;采用轮廓仪对渗氮后试样的表面粗糙度进行测量分析。研究结果表明对于阳极层离子源产生的等离子体,其密度随着所加电流的增加而增大;在某一气压下达到峰值,过高或过低都会使其降低;存在一“等离子体密度高、能量小”的稳定区间,作为渗氮时试样的摆放位置。对于阴极板辉光放电产生的等离子体,其密度随着阴极电压的增加而升高,但都处于1015 m-3量级,正对着阴极板区域内等离子体的密度与能量均很稳定。M50钢经过4小时阳极层离子源辅助获得的渗氮层,深度可达40μm,渗层未出现白亮化合物层,扩散层中无脉状组织;渗氮温度、等离子体密度、混合气体中氢气含量的增加,均会提升渗氮层的硬度梯度与深层深度;表面硬度提升至1000HV0.1左右,渗层硬度分布下降缓慢,磨损机制主要为氧化磨损与粘着磨损,磨损率较未处理M50钢降低80%以上,表面粗糙度由抛光后的0.015μm升至最高0.06μm。使用辉光放电辅助渗氮的M50钢,相对于离子源辅助渗氮,获得的渗层深度较浅,渗层硬度与表面硬度较低,渗层中无氮化物脉状组织;渗氮温度、等离子体密度、氮气气压的增加,均会促进氮的扩散;磨损率较未处理M50钢降低75%以上,磨损机制主要为氧化磨损与粘着磨损,粗糙度改变极小最高增加至0.04μm。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG156.82
【部分图文】：

（溅射与沉积理论）：很早前就有人发离子，在电场作用下可获得巨大的能量集到的急冷溅射产物氮含量分析结果认为在对工件进行离子渗氮时，工件作内的含氮气体在阴阳极之间的高电压差的阴极吸引正离子，使之加速成为高能表面进行轰击，轰击的能量损失一是转化为其动能，三是对阴极产生溅射打出合成为铁氮化合物 FeN，同时由于背散扩散与离子轰击的作用下，FeN 受热按解，产生的氮浓度梯度促使绝大部分的离子轰击溅射出的铁原子重新结合形时间较早，但是以很多实验基础与事实

压或悬浮无电压的试样进行等离子体渗氮。射频等离子体源的优点在于其单，不需要射频中和器、空心阴极、灯丝等电子中和器就可以直接产生的等束，维护成本和对环境的污染很低，一般适合于在反应气氛下长时间连续的且产生的等离子体束密度高，能量取决于反应气体的气压和射频的功率，在围内可调。非常适用于离子刻蚀、辅助沉积薄膜或涂层、离子溅射等方面的应在这种渗氮方式中，依靠射频天线产生等离子体，试样本身不用再施加高，可以有效地降低渗氮后试样表面粗糙度的增加量，减少试样的边缘效应与弧现象，工艺过程稳定；并且可以在相对较低的真空度下进行渗氮，减少了，试样被含氮的等离子体所包围，节省能源的同时提高了能量的利用率。Keddam M 使用电源功率为 700W、射频频率为 13.56MHz 的射频天线，为 500℃、60%N2与 40%H2的混合气体中、对 XC38 碳钢渗氮 16 个小时， 4-6.5μm 厚的化合物层，如图 1-2，通过 XRD 分析结果可知其为单一的 γ′-F，通过 GDOS 可知表面化合物层的氮浓度为 6 wt%，氮含量百分比的升高 ε-Fe2-3N 相的形成趋势[36]。

促使氮向试样内部进行扩散，从而达到渗氮的效果。活性屏离子渗氮技术很有效的解决了传统离子渗氮技术中存在的如同空心效应、边缘打弧效应、电场效应、工件温度测量困难、对操作人员的技术水平高等问题，伴随着活性屏离子渗氮技术走向工业化产业化应用，有效的缩短了周期，节省能源的同时提高了能量的利用率，可实现手动或全自动操作，而且以通入其他混合物气体，形成碳氮化物层、硫氮淬硬渗层、氮氧碳化合物层等渗层。C.X.Li和T.Bell对温度500℃的AISI316不锈钢进行活性屏离子渗氮20小时到了 75μm 厚的均匀渗氮层，渗氮层的表面为单一 γ′-Fe4N 相组成的化合物层经过渗氮的 316 不锈钢在进行摩擦磨损实验时，磨损机制主要为粘着磨损，力强，塑性变形大；经过渗氮的不锈钢磨损机制主要为氧化磨损，磨损程度低图 1-3 所示，通过载荷为 10N、转速为 0.031m/s、对磨球直径为 8mm WC 球擦磨损实验对比，未经过渗氮的不锈钢磨痕宽度为 1mm，磨损率为 3.94×mm3/m；经过活性屏离子渗氮后的不锈钢磨痕宽度为 0.25mm，磨损率为 2.54×mm3/m，比未处理的钢降低 2 个数量级，耐磨能力得到提升[37]。
【参考文献】

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本文编号：2862857