直流脉冲空心阴极离子渗氮分析

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1、直流脉冲空心阴极离子渗氮研究4．4．6本节小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一52结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．53参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55攻读硕士学位期间发表学术论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．59致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．60大连理工大学学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61一VI大连理工

2、大学硕士学位论文1绪论渗氮，也被称作氮化，是指在一定的温度下，在含氮的介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工划卜引。经过渗氮后，工件表面的化学成分和组织状态发生改变，形成一层渗氮层，使得工件具有很高的硬度和耐磨性能，同时具有很高的抗疲劳性能和高的耐蚀性，还提高了抗咬合、抗擦伤的能力【4。7j。并且渗氮时的温度低、渗氮后工件的变形小，使得渗氮成为石油工业、航空工业、国防工业、汽车工业、机械工业等领域内一项重要的处理工艺。普遍应用于各种精密的零件上，如机床主轴和丝杠、高速传动齿轮、内燃机曲轴、汽车缸套、成型模具和部

3、分量具峭。⋯。1．1渗氮原理图1．1是Fe．N平衡相图【l，111，是研究渗氮层组织、相结构及N原子含量分布的重要依据。从图中可以看出，Fe和N可以形成5种单相固溶体组织¨，11-16]：C【相、丫相、1，’相、￡相、<相，其中，Ot相和丫相为间隙固溶体，丫’相、￡相和<相为成分可变的间隙相，各相的本质和基本特点见表1．1。相图中有两个共析反应，其一是Y—Y’+Q(质量分数为2．35％的Y在590℃发生)，另一个是￡一1，竹’(质量分数为4．55％的￡在650℃发生)。图1．1Fe．N平衡相图Fig．1．IFe—

4、Nequilibriumphasediagram直流脉冲空心阴极离子渗氮研究氦征饫系1本甲阴

5、日J隙体心立方固溶体0．2866-4)．2877茎套墨氏体中的间隙面心立方固溶体⋯～以Fe4N化合物为基的面心立方中间相，Fe3-4N0．3791-0．3801鐾氮化物为基的中间密排六方相，Fe3．4N⋯。’竺Fe2N基的中间斜方相，Fe，N～。590℃时为0．11，温仅为0．004立．85．7“．14．55～11室有铁磁性，硬度高于基体仅存在于共析点之上有铁磁性，硬度较高，脆性小硬度较高，脆性不大，耐蚀性较好脆性大渗氮

6、过程与渗碳不同，渗氮属于典型的反应扩散过程。依照铁．氮相图，可看到不同温度下渗层中各相的形成顺序及各层相组成如表1．2所示。渗氮时随着气相中氮原子的不断渗入，使0【相达到饱和氮含量，氮继续扩散使0【相过饱和，产生反应扩散，引发0【_丫相反应产生1，’相，继续渗氮，表面形成一层连续分布的1，’相，达到1，’相中的过饱和极限后，才再次通过相反应形成含氮量更高的￡相。图1．2为渗氮温度不大于590。C渗氮时组织和含氮浓度变化示意图。表1．2不同温度渗氮层中各相的形成顺序及平衡状态下渗氮层中各层次的相组成物Tab．1．2

7、Formationsequenceofphasesinthenitridedlayeratdifferenttemperatureandphasecompositionofthenitridedlayeratequilibriumstatus2n丫厂￡‘大连理工大学硕士学位论文图1．2渗氮温度不大于590℃渗氮时相组成和含氮浓度变化示意图：(a)渗氮时渗层的相组成，(b)氮浓度的浓度梯度曲线Fig．1．2Phasecompositionandconcentrationgradientofnitrogenofnit

8、ridedlayeratthenitridingtemperatureunder590℃：(a)Phasecompositionofnitridedlayer，(b)Nitrogenconcentrationgradientofnitridedlayer1．2气体渗氮气体渗氮是向渗氮炉中通入氨气后长时间加热，使氨气在渗氮温度下分解出活性氮原子，吸附并扩散进入工件的渗氮方法[1,111。图1．3为气体渗氮过程示意图，渗氮过程分为三个阶段：首先是氨气介质的分解。当渗氮温度超过380。C时，氨气发生分解反应，其反应方程

9、式如公式1．1所示：2NH3芒垫2[N]+3H2(1．1)氨气分解反应是可逆反应，在一定的温度、压强条件下，只有一部分氨气能够分解，这就是氨的分解率[17,181。当温度大于500℃时，在平衡状态下，理论上氨的分解率已达到99％，但在实际情况中分解率仅为90％左右，远低于理论值。生产中通常是通过调节直流脉冲空心阴极离子渗氮研究氨分解率来控制渗氮过程。氨气分解产生的活性氮原