基于空心陰極放電的材料表面等離子體改性技術(shù)研究.pdf

1、離子氮化具有工件變形小,滲速快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),能有效提高金屬零部件的表面硬度、耐磨損和耐腐蝕等性能。滲氮時(shí),工件為陰極,爐壁為陽(yáng)極,在陰陽(yáng)極之間加以數(shù)百伏直流/脈沖偏壓。爐內(nèi)低壓含氮?dú)怏w被電離,大量高能含氮離子轟擊工件表面,把工件加熱到所需處理的溫度,同時(shí)產(chǎn)生的活性氮原子與表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),獲得一定深度的改性層。然而受氣體放電特性和電場(chǎng)效應(yīng)的影響,工件形狀對(duì)表面溫度的均勻性影響很大,出現(xiàn)表面打弧、邊緣效應(yīng)和空心陰極效應(yīng)等問(wèn)題。

2、r>　　 此外,滲氮理論研究的滯后同樣阻礙了這一技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。目前為研究者所接受的滲氮理論有:濺射沉積、氮?dú)浞肿与x子化、中性原子轟擊、碰撞離析、濺射-吸附-脫附等。其結(jié)論是在相對(duì)獨(dú)立的條件下得到的,過(guò)于強(qiáng)調(diào)某類粒子的作用,弱化了其它粒子的貢獻(xiàn),尚無(wú)一種理論能解釋離子滲氮的共性問(wèn)題。
　　 針對(duì)目前離子滲氮技術(shù)和理論中存在的問(wèn)題,提出空心陰極放電離子氮化技術(shù)進(jìn)行材料表面改性處理。采用雙層筒狀薄鋼板組成空心陰極結(jié)構(gòu)環(huán)繞工作空間

3、,氣體經(jīng)過(guò)空心陰極放電電離向工作空間提供高活性的氮離子、原子等物質(zhì);同時(shí)空心陰極電極還可作為高效熱源輻射加熱工件。
　　 選擇有代表性的重要結(jié)構(gòu)材料(42CrMo低合金鋼和AISI316L奧氏體不銹鋼)作為研究對(duì)象,對(duì)試樣施加不同的電位,如:陰極電位、陽(yáng)極電位、懸浮電位和偏壓。通過(guò)改變施加試樣電位的不同,限制到達(dá)基體表面的粒子種類f如含氮正離子或含氮中性原子等)。利用X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、激光共聚焦

4、顯微分析(CLSM)和X射線光電子能譜(XPS)等測(cè)試手段,分析測(cè)定改性層中氮濃度、表面化合物相組成以及改性層厚度,用來(lái)評(píng)價(jià)施加電位和各類粒子對(duì)滲氮的影響。
　　 實(shí)驗(yàn)表明,工件可不作為放電陰極,表面基本無(wú)離子轟擊與濺射,保持原有的光潔度,避免了傳統(tǒng)離子滲氮中存在的溫度不均勻性、表面打弧和邊緣效應(yīng)等缺點(diǎn)。在不同電位下,42CrMo低合金鋼均可在表面形成由化合物層(ε-Fe2-3和γ'-Fe4N相)和擴(kuò)散層組成的氮化層。在懸浮和陽(yáng)