Study of the Active Screen Plasma Nitriding

Active screen plasma nitriding (ASPN) is a novel nitriding process, which overcomes many of the practical problems associated with the conventional DC plasma nitriding (DCPN). Experimental results showed that the metallurgical characteristics and hardening effect of 722M24 steel nitrided by ASPN at both floating potential and anodic (zero) potential were similar to those nitrided by DCPN. XRD and high-resolution SEM analysis indicated that iron nitride particles with sizes in sub-micron scale were deposited on the specimen surface in AS plasma nitriding. These indicate that the neutral iron nitride particles, which are sputtered from the active screen and transferred through plasma to specimen surface, are considered to be the dominant nitrogen carrier in ASPN. The OES results show that NH could not be a critical species in plasma nitriding.

表面织构-活性屏离子氮化复合处理对38CrMoAl钢摩擦学行为的影响

【目的】38CrMoAl钢是液压泵柱塞常用材质之一,其表面性能对液压泵长寿命安全服役尤为重要。磨损是液压泵柱塞的主要失效方式,采用表面强化处理能够突破其性能极限,是实现液压泵高性能、高可靠运行的有效途径。【方法】采用表面织构化和活性屏离子氮化的复合处理工艺对38CrMoAl钢进行表面形性调控,以期实现其表面强化方法。先利用激光加工技术在38CrMoAl钢表面制备凹坑织构,再对38CrMoAl钢和表面织构化38CrMoAl钢进行活性屏离子氮化处理。借助球-盘式摩擦磨损试验机研究表面织构-活性屏离子氮化复合处理对38CrMoAl钢摩擦学行为的影响。【结果】结果表明,38CrMoAl钢表面生成了ε-Fe2-3N、γ'-Fe4N和CrN;氮化层表面致密且无明显裂纹和孔洞;氮化层均匀、连续,由白亮层和扩散层组成。氮化层的截面硬度呈梯度分布,试样表面硬度最高,随着距表面距离的增大,硬度逐渐降低。38CrMoAl钢相关试样与Al_(2)O_(3)球的干滑动摩擦结果可知,38CrMoAl钢的摩擦系数为0.40,而表面织构-活性屏离子氮化38CrMoAl钢的摩擦系数为0.36;经复合处理后,38CrMoAl钢的磨损失重降低了92.5%.复合处理显著提高了38CrMoAl钢的摩擦学性能。

高频电源与活性屏离子渗氮对表面纳米化TC4钛合金渗氮层结合力的影响

目的 评估高频电源对喷丸纳米化TC4钛合金离子渗氮层结合力的影响,进一步探究在高频电源+活性屏工艺组合上,渗氮参数优化对渗氮层结合力的影响。方法 选取直流电源–500℃-20 h-300 Pa离子渗氮试样与高频电源–500℃-20 h-200 Pa离子渗氮试样,分别进行XRD、扫描电镜和划痕试验,对结构、形貌与结合力分析。在高频电源基础上,进一步选取活性屏优化前、后参数的渗氮试样进行结构、形貌和结合力对比。结果 通过划痕测试发现,高频电源渗氮层的声信号平稳,划痕无剥落,渗氮层摩擦力信号突增的载荷值有一定提升。在高频电源+活性屏工艺组合下,优化后渗氮试样的Ti N和Ti2N层厚度比优化前渗氮试样的厚度明显增加。声信号上表现为更平稳及无明显突变,且优化后试样的渗氮层摩擦力信号突增的载荷值较优化前均增加。结论 高频电源抑制了传统直流电源渗氮过程中的打弧现象,缓解了渗氮层内部的热应力聚集,提高了渗氮层的表面性能,对渗氮层载荷承受力和结合力有一定的提升作用。在高频电源与活性屏组合工艺下,优化后渗氮试样的渗氮动力学条件更好,Ti2N层厚度显著增加,提高了基体中氮扩散层的性能。同时,Ti2N厚度的增加可以减缓TiN层与基体的成分与性能的突变,从而提升渗氮层与基体的结合力。

放电电压对纯氮ASPN处理的影响

采用高电压、低气压的离子渗氮工艺,利用活性屏离子渗氮(ASPN)技术对合金钢在纯氮气氛下进行离子渗氮处理。对渗氮层的硬度、深度和组织结构等进行了分析研究。结果表明,在纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理过程中放电电压起关键作用,只有当直流辉光放电电压高于800 V时,才能进行离子渗氮处理。通过分析用铜片采集的等离子放电空间的粒子发现,放电电压高于800 V时,沉积在铜片表面的粒子是能进行渗氮处理的氮化铁;而放电电压低于800 V时,沉积在铜片表面的粒子主要是氧化铁。

活性屏离子渗氮处理对球墨铸铁力学性能的影响

活性屏离子渗氮(ASPN)处理可以扩大球墨铸铁的用途,处理后的球墨铸铁有望在特殊载荷条件下使用。研究了ASPN处理对球墨铸铁力学性能的影响。利用ASPN处理,在样品表面上形成氮化物层,并且能在氮化物层内部进一步形成扩散层。ASPN处理中氮化层的厚度随着处理温度的升高而增加,球墨铸铁的硬度、耐磨性和疲劳强度也随着处理温度升高而提高。

钢铁材料新型等离子体渗氮工艺的研究现状

传统等离子体渗氮存在着渗氮时间长、渗氮不均匀等问题,因此提高等离子体渗氮效果和渗氮速率是等离子体渗氮技术发展的重点方向。本文综述了活性屏等离子体渗氮的技术原理和近年来的发展特点,梳理了多元离子共渗、表面自纳米化预处理和预氧化3种催化技术在传统等离子体渗氮过程中的作用机理和目前的发展现状。多种催化技术相结合的传统等离子体渗氮工艺和活性屏等离子体渗氮的催化工艺将是未来等离子体渗氮发展的重要方向。

离子渗氮新技术的研究现状

为了克服传统离子渗氮的一些固有缺点,近些年来出现一些新的离子渗氮技术,如活性屏离子渗氮、等离子体源离子渗氮、离子注入离子渗氮等,本文简要介绍了这些新技术及其原理、特点,总结了这类技术的共性模型。其中,活性屏离子渗氮技术和等离子体源离子渗氮技术有着明显的设备和工艺优势,可能成为离子渗氮技术的发展方向。

活性屏与工件的距离对40Cr钢活性屏离子渗氮行为的影响

为提高40Cr钢的抗磨及耐蚀性能,用304不锈钢冲孔板制成的活性屏对40Cr钢进行离子渗氮(ASPN)处理,研究了活性屏与工件的距离对渗层组织结构和性能的影响,并与普通直流离子渗氮(DCPN)进行了比较。用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、辉光放电光谱仪(GDOES)、显微硬度计、往复摩擦磨损试验机和电化学工作站对渗层组织、相成分、硬度、耐磨及耐腐蚀性能进行分析。结果表明:经不锈钢活性屏离子渗氮处理后,试样表面得到了致密均匀的渗氮层,渗层主要由ε-Fe2-3N、γ′-Fe4N和CrN相组成,且随着试样与活性屏距离从10mm、20mm增加到30mm,对应的渗层厚度从6μm、4.7μm减小到3.5μm。经氮化处理后,40Cr钢的耐磨性和耐腐蚀性都有显著的提高,ASPN处理后试样的耐腐蚀性较DCPN有明显的提高。

纯氮气氛活性屏离子渗氮的研究

在纯氮气氛中,利用活性屏离子渗氮(ASPN)技术对 38CrMoAl钢进行了离子渗氮处理,并对渗层的组织结构、硬度、深度等进行了分析。结果表明,只有直流辉光放电电压高于 800V时,在纯氮气氛中才能进行活性屏离子渗氮处理。通过对等离子放电空间的粒子进行XRD分析发现,放电电压低于 800V时,沉积在基材表面的粒子主要是氧化铁(Fe3O4 );放电电压高于 800V时,沉积在基材表面的粒子才是能进行活性屏离子渗氮处理的铁的氮化物(ε、γ′)。

工件电位对奥氏体不锈钢活性屏离子渗氮的影响

用活性屏离子渗氮技术分别对处于悬浮电位和阳极电位的AISI316L奥氏体不锈钢进行低温渗氮处理。并对渗氮层的组织、形貌、相结构、显微硬度和耐蚀性能进行分析。结果表明,在这两种电位状态下处理的试样均可获得具有S相结构特征的单相硬化层。渗氮层不仅具有高的硬度,还有良好的耐蚀性能。在活性屏离子渗氮过程中,从活性屏上溅射下来的中性S相粒子也可以起到氮载体的作用。活性屏空间中性粒子和电子的撞击足以消除不锈钢表面钝化膜对氮的阻隔作用。

AISI 316L奥氏体不锈钢在阳极电位的活性屏离子渗氮

用活性屏离子渗氮技术对处于阳极电位的AISI 316L奥氏体不锈钢进行低温渗氮处理,并将渗氮层的组织、形貌、相结构、显微硬度和耐蚀性能与在悬浮电位下处理的试样作对比。结果表明,奥氏体不锈钢在两种电位状态下渗氮处理获得了同样的、具有S相结构的单相硬化层。渗层不仅具有高的硬度,还有良好的耐蚀性能。在活性屏离子渗氮过程中,从活性屏上溅射下来的中性S相粒子起着氮载体的作用。活性屏空间粒子的撞击消除了不锈钢表面钝化膜对氮的阻隔作用。

高速钢的活性屏离子渗氮

利用活性屏离子渗氮技术对W18Cr4V高速钢进行渗氮处理,对其组织、硬度和渗层深度进行分析,并与普通直流离子渗氮作比较。结果表明,经活性屏离子渗氮处理后,渗氮层硬度梯度变得平缓,且最高硬度不在表面,而是在距表面一定距离处,这将能提高高速钢的耐疲劳性能,改善高速钢的内在质量。

40Cr钢富氮层快速离子渗氮技术的探索

用活性屏离子渗氮(ASPN)技术对40Cr钢进行快速离子渗氮技术的研究。本项研究是利用氮在奥氏体与铁素体中分别具有不同的溶解度和扩散速度的特性,采用了在共析温度以上短时间溶氮和在共析温度以下长时间扩散渗氮的两种不同的渗氮机制,进行交替渗氮处理。试验结果表明,采用这种新的渗氮工艺不仅可以显著提高渗氮处理中氮在钢中的内扩散速度,而且渗氮层具有较高的硬度。这种快速渗氮工艺可以用"吸收-扩散"渗氮模型进行解释。

离子氮化技术的研究进展

离子氮化具有工件变形小、渗速快、节能环保等优点,能有效提高金属零部件的表面硬度、耐磨损和耐腐蚀等性能。然而受气体放电特性和电场效应的影响,工件形状对表面温度的均匀性影响很大,出现表面打弧、边缘效应和空心阴极效应等问题。为了克服传统直流离子渗氮的缺点,近年来出现了一些射频离子氮化、等离子体浸没离子注入、活性屏渗氮以及空心阴极氮化等新技术。

偏压对活性屏离子渗氮工艺的影响

通过对40C钢进行活性屏离子渗氮处理,研究了在活性屏离子渗氮工艺过程中工件所加的偏压对渗氮层的影响。试验结果表明,在不加偏压或偏压较低的情况下,对距离活性屏较近的工件,其表面有一定厚度的渗氮层形成,硬度提高;而距离活性屏较远的工件,其表面几乎没有渗氮层的形成,但当增大偏压至400~450 V时,工件表面产生弱的辉光放电,距离活性屏较远的工件表面也有渗氮层形成。通过控制偏压值,可以使工件表面形成厚度均匀的渗氮层,提高工件硬度;同时也可以避免直流离子渗氮过程中产生的打弧、边缘效应等问题。

活性屏离子氮化机理的研究

在真空室内放置一个铁制的网状圆筒 ,并与直流高压电的负极相接 ,在直流电场的作用下 ,通过气体离子对圆筒的轰击溅射 ,产生了一些纳米数量级的活性粒子 ,利用这些高活性的纳米粒子簇可以对放置在圆筒内钢的表面进行氮化处理。实验证明 ,这些活性粒子是中性的Fe4N粒子 ,所以被处理的工件既可以处于悬浮电位 ,也可以处于零电位。活性屏离子氮化可以获得和普通直流离子氮化同样的处理效果 ,并解决了离子氮化技术的不足。

活性屏离子渗氮技术的研究

在真空室内放置一个钢制网状圆筒 ,并与直流高压电的负极相接 ,在直流电场的作用下 ,通过气体离子对圆筒的轰击溅射 ,产生了一些纳米数量级的活性粒子 ,利用这些高活性的纳米粒子簇可以对放置在圆筒内的钢件表面进行渗氮处理。试验证明 ,这些活性粒子是中性的Fe4 N粒子 ,被处理的工件既可以处于悬浮电位 ,也可以接地。活性屏离子渗氮可以获得和直流离子渗氮同样的处理效果 ,并解决了直流离子渗氮技术多年来一直存在的许多难以克服的问题。

纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及其影响因素

利用活性屏离子渗氮(ASPN)技术对38CrMoAl钢在纯氮气氛下进行离子渗氮处理,对渗氮层的硬度、深度、组织结构以及收集粒子的形貌、结构等进行了分析研究。结果表明,电压较低时,Fe主要与O结合生成大量的氧化铁而不能进行ASPN处理,氧起主导作用;只有在电压较高、Fe与N的结合能力较强时才主要生成吸附大量活性氮原子的氮化铁进行ASPN处理。

活性屏等离子渗氮工艺中双重辉光放电下氮的输运机理

采用大尺寸铜质活性屏进行活性屏等离子渗氮处理,在距离活性屏不同位置处分别放置玻璃片,用来收集主电压和偏压同时存在时,即等离子空间处于双重辉光放电模式下阴极溅射产生的在渗氮过程中起到载体作用的纳米粒子。通过对粒子形貌、化学成分进行分析,以此揭示双重辉光放电条件下活性屏离子氮化工艺中氮的输运机理。实验结果表明:主电压和偏压同时存在时,离活性屏距离不同的玻璃片上收集到的粒子形状和尺寸与只加主电压时有所不同;且随着离活性屏距离的改变,粒子的形状、尺寸及化学元素含量都不相同,但粒子中氮元素的含量都很高。分析认为这是因为双重辉光放电条件下,活性屏和工件都会产生阴极溅射,因此收集到的溅射粒子的来源不同,一部分来源于活性屏溅射,而另一部分来源于偏压引起工件表面产生的自溅射,对于距离活性屏较远的工件来说,施加在工作台上上的偏压是活性氮原子从气相输运到工件表面的关键。

偏压在大尺寸活性屏等离子渗氮中的作用机理

通过采用大尺寸活性屏进行等离子渗氮处理,研究和分析了偏压及其"阈值"对大尺寸活性屏渗氮的影响。实验结果表明:采用大尺寸活性屏渗氮时,加在工件上的偏压是一个决定性的因素,只有当负偏压大于"阈值"时,无论距活性屏多远的试样都能取得较好的渗氮效果。通过理论分析认为这个偏压阈值恰好是能够引起工件表面产生自溅射所需要的最低电压。研究认为采用大尺寸活性屏渗氮时,距离活性屏较远的工件是靠施加在其上的偏压引起工件表面产生自溅射生成大量的纳米粒子作为渗氮的载体实现渗氮的。