不同氮化工艺对低碳钢离子镀铬的影响 - 图文

摘 要

双层辉光（以下简称双辉）等离子表面合金化是具有我国独立知识产权，居世界领先水平的高技术，是表面工程技术的重要分支之一。该技术是在离子氮化的基础上发展起来的，它较好地解决了提供欲渗活性金属原子方面的问题，将仅能进行非金属元素渗入的离子氮化技术拓宽成为能进行所有金属元素、非金属元素渗入的等离子渗金属技术，开创了等离子表面冶金的新领域。

普通碳钢进行双辉等离子低温表面渗镀铬，提高其耐磨性、耐腐蚀性、抗高温氧化性，从而提高产品性能，降低产品成本，延长产品寿命，提高产品的市场竞争能力，用其代替昂贵的合金材料，从而节约资源，减少消耗，推进可持续发展。双辉等离子表面合金化技术与其它表面改性技术相比具有许多显著的优点，具有很大应用前途的实用技术，加速其实用化进程，将有利于产业化的推广。

由于渗铬前氮化能促进铬在铁中的扩散、渗铬后进行氮化有强化作用，故本课题研究不同氮化工艺对碳钢离子渗铬的影响，旨在改善低温渗铬的条件，提高渗层的以及整体工件的性能。实验表明：

（1）渗铬＋氮化与氮化＋渗铬＋氮化工艺，能大幅度提高碳钢表面硬度，表面强化层硬度可达HV750；

（2）渗铬＋氮化表面强化层组织是由白亮层（ε相）＋氮化层＋基体组成，组织致密，与基体结合紧密；氮化＋渗铬＋渗氮的渗层厚度较渗铬＋氮化的渗层厚度要深；

（3）在水砂纸2000＃砂粒度为6μm的磨粒磨损情况下，渗铬＋氮化的试样在整个磨损过程的失重曲线的斜率最小，就是说其的耐磨性最好。

关键词:双辉等离子渗金属；Q235钢；渗铬；渗氮；工艺

Abstract

Double glow discharge plasma surface alloying process is plasma surface modification technology,which was invented by Chinese scholars have their own intellectual property rights.This technology was developed on the ion nitriding,it was better to provide wishes to solve the infiltration activity of metal atoms,will be only for non-metallic elements into the ion nitriding technology can be widened for all metal elements,non-metallic elements such as the infiltration of Metal Ion technology,creating a plasma surface metallurgy new areas.

Of ordinary carbon steel double glow discharge Plasma Surface chromium plating to enhance the wear resistance, corrosion resistance, high temperature oxidation resistance and improve its product performance, reducing the cost of products to extend the lifespan of products, improving product competitiveness in the market. Replace it with expensive alloy materials to saving resources, reducing consumption and promoting sustainable development. Double glow discharge plasma surface alloying technology compared with the other surface modification technology ,it has many significant advantages ，it has the practical technologies’ great of application, speed up the process of actually used, there will be conducive to the promotion of industrialization.

Nitriding before the chromizing can promote the spread of the Chromium in the iron ,

nitriding can play a role in strengthening after chromizing, so the subject studys of the

different c nitriding process’ effect in the ordinary carbon steel double glow discharge Plasma Surface chromium, the aimed to improving the conditions of the chromizing in the low temperature ,to improving the layer and the overall performance of the workpiece. Experiments show that:

(1) The chromizing and nitriding’s and the second nitriding’s process, can greatly improve the carbon steel surface hardness ,and the hardness of the Strengthen surface layer is HV750;

(2)The chromizing and nitriding’s surface infiltration of the organization is composed of the white layer (ε phase) and the nitride layerand the Matrix. The organization is dense, and work closely with the matrix.The Layer thickness of the second nitriding is abysmal of the chromizing and nitriding’s

(3) With the 2000 water of sandpaper (the Size is 6 μ m) of abrasive wear ,the weightlessness of the curve of the slope of the chromizing and nitriding’s sample is smallest ,so its wearability is better .

Key words: double glow discharge plasma surface alloying process; Q235steel; chromizing; nitriding; process

目 录

引言 ....................................................................................................................... 1 1 资料综述 ......................................................................................................... 2

1.1 渗铬的国内外研究状况 .................................................................................................. 2 1.2 渗铬的工业应用 .............................................................................................................. 2 1.2.1抗腐蚀的应用 ............................................................................................................ 2 1.2.2抗磨损的应用 ............................................................................................................ 2 1.2.3抗高温氧化及高温腐蚀的应用 ................................................................................ 3 1.3 等离子渗金属技术 ........................................................................................................ 3 1.3.1等离子体 .................................................................................................................... 3 1.3.2离子氮化原理 ............................................................................................................ 4 1.3.3辉光放电现象 ............................................................................................................ 5 1.4 双辉等离子渗金属技术 ................................................................................................ 7 1.4.1双辉等离子渗铬技术概况 ........................................................................................ 7 1.4.2 双辉等离子渗铬技术的物理过程 ......................................................................... 8 1.4.3 双辉等离子渗铬特点 ............................................................................................... 8 1.5低温渗镀铬理论基础 ...................................................................................................... 9 1.5.1. 铁材料渗铬的金属学理论基础 ............................................................................ 9 1.5.2渗铬的表面改性理论基础 ...................................................................................... 11 1.6 双辉等离子渗铬原理 .................................................................................................... 11

2 课题的提出 ..................................................................................................... 13

2.1 课题的提出 .................................................................................................................... 13 2.2 课题的研究内容 .......................................................................................................... 13 2.3. 课题的研究意义 ........................................................................................................... 13 2.4 技术路线 ...................................................................................................................... 13 2.5实施方案 ........................................................................................................................ 14 2.6 课题的可行性分析 ........................................................................................................ 14

3.试验工艺流程 .................................................................................................. 15

3.1 材料的选择 .................................................................................................................... 15 3.2 工艺步骤 ........................................................................................................................ 15 3.2.1渗铬的工艺步骤 ...................................................................................................... 15 3.2.2组织性能检测的工艺步骤 ...................................................................................... 15

4 实验结果与分析 ........................................................................................... 18

4.1 渗层的显微硬度 ............................................................................................................ 18 4.2渗层的显微组织 ............................................................................................................ 19 4.3渗层相结构 .................................................................................................................... 22 4.4摩擦磨损性能 ................................................................................................................ 24

5 结论 ............................................................................................................... 27 参考文献 ............................................................................................................. 28

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引言

进入到20世纪，通过各种物理、化学机械或复合的方法，在材料表面制备涂层、薄膜或进行表面改性已发展为比较成熟、系统的工程技术并得到广泛应用，特别是近二三十年来，世界各国特别是先进工业国对表面技术提出更高、更特殊的要求：需要适应多种工作环境，尤其是十分恶劣的环境；具有较长的使用寿命，比以往的材料要更加耐磨损，耐腐蚀，耐高温氧化等等。但是这些不断提高的要求远非单一的材料所能满足。金属表面工程正是在这种条件下逐步发展起来的，利用各种表面涂镀层及表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊的机械物理或化学性能。

化学热处理是作为表面改性技术的一种基本方法，能在材料表层得到多种成分的合金，因而能够保证机械设计中所要求达到的各种性能(物理性能、化学性能、机械性能等)。因此应用化学热处理来改变材料表面性能是简便易行的。化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一项工艺技术。它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。通过表面进行处理，在提高表面强度、硬度、耐磨等性能的同时，保持心部的强韧性，使产品具有更高的综合力学性能；同时，还可以在很大程度上改变表层的物理和化学性质，提高零部件的抗氧化性和耐蚀性。

随着对产品服役寿命要求的提高、环境保护和可持续发展战略的不断深入实施，化学热处理技术已得到进一步发展。其中离子化学热处理自60年代获得工业应用以来，就得到了飞速发展，已成为化学热处理中一个重要的分支。它是将置于低压容器内的工件在辉光放电的作用下，通过带电离子轰击工件表面，使其温度升高，实现所需原子渗扩进入工件表层的化学热处理方法。

这种方法与常规化学热处理相比具有许多突出的特点：渗层质量高，处理温度范围宽，工艺可控性强；工件变形小，易于实现局部防渗；渗速快，生产周期短，可节约时间15％一50％；热效率高，工作气体耗量少，一般可节能30％以下，节省工作气体70％一90％；无烟雾、废气污染，处理后工件和夹具洁净，工作环境好；柔性好，便于生产线组合。

正是由于离子化学热处理有着许多常规化学热处理无法相比的优点，而低碳钢由于硬度低、耐磨性差无法在工业得到广泛应用，故本课题研究不同氮化工艺对碳钢离子渗铬的影响。找出碳钢最佳低温渗铬及氮化复合工艺参数，使碳钢的性能能得到较好的提高，便于在生产中得到广泛应用。

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1 资料综述

1.1 渗铬的国内外研究状况

经过数十年的发展，渗铬目前已成为众所公认的一种非常有效的耐磨抗蚀表面处理方法，在许多工业领域得到了许多应用。与初期的渗铬方法相比，现代渗铬技术的实用性已得到长足进步，渗铬温度己降至850～900℃的经济生产范围。

渗铬的理论和工艺自1919年美国人F．C．Kalley等系统研究以来，迄今已80余年了。经过几十年的发展，渗铬技术有了很大的提高和完善，基本上采用液体、固体、气体三种方法，并已在许多领域用于实践。从国外的情况来看，日本、英国、美国在这方面做了大量工作，盐浴渗铬温度已低于600℃，固体渗铬温度仍然较高，在950℃以上，气体渗铬温度也较高，一般在850～900℃。

我国的渗铬研究始于五十年代末，中科院上海冶金所和武汉材料保护研究所率先在国内开展了渗铬的研究工作。上海冶金所进行的是以氯化盐为基的盐浴渗铬研究，但未能在工业上推广应用。武汉材料保护研究所先后进行了以氯化铵为活化剂的固体渗铬研究和以硼砂熔盐为基的盐浴渗铬研究，这两种渗铬方法都取得了一定成果，并在全国推广应用。近期，武汉材料保护研究所又在开发固体气相法稀土催化光亮渗铬技术，己开始在链条行业小批量生产应用。华南理工大学、北京科技大学在盐浴渗铬方面做了大量工作，在碳钢氮化或碳-氮共渗后进行渗铬，其渗铬温度已至610℃以下，但6h渗层约有十几个微米，渗速较慢。另外，彭城机电学院、韶关学院在添加稀土元素的基础上进行低温盐浴渗铬，表明可以提高渗速，但与先氮化再渗铬的速度相差不大，渗层厚度约二十微米左右。盐浴渗铬虽然可以在较低的温度下进行，但存在对环境有污染，工件表面质量差，清洁困难，工人劳动强度高等缺点。 1.2 渗铬的工业应用

国内外科学家之所以对渗铬工艺有如此多的研究，是因为渗铬的工业应用领域相当广泛，按用途主要可分为抗腐蚀，抗高温氧化和抗磨损三大类。软渗铬主要用于抗腐蚀及高温氧化，硬渗铬既可抗磨损，又可抗腐蚀和抗高温氧化。 1.2.1抗腐蚀的应用

渗铬的一个主要特点是有较高的抗蚀性能 ，渗层形成了一层致密铬碳化合物层 ，它具有很好的耐蚀性。但是渗铬层的抗蚀性对不同的介质则表现出不同的抵抗能力 ，如各种钢渗铬后对硝酸的抗蚀性均很好，对盐酸的抗蚀性则很差。

用渗铬钢可以解决许多工业上的抗腐蚀要求，例如:渗铬的紧固件及五金零配件，水、油、石油泵部件，塑料纤维工业中的导线轮，食品加工业中替代不锈钢的容器及食品加工机械零部件，医疗手术器械等。 1.2.2抗磨损的应用

一般来说，硬度高的材料的抗磨损性高。在铬碳化合物中 ，M23C6 硬度在 HV1300～1400 范围 ，且该碳化物层易处于拉应力状态.而M7C3 硬度随成分有所变化 ,

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在 HV1800～2300 范围内，且有较高的韧性 ，渗铬后处于压应力状态.因此获得这种碳化物渗层有较好的性能.高温渗层的硬度都在 HV0.052000～2400 范围 ，而低温渗层一般在 HV0.051200～1700 范围。对钢来说，基体中碳化物的成分、类型、形状、大小和分布状态对其耐磨性均有影响 ，其中以碳化物的硬度和数量的影响为最大.渗铬层中的铬碳化合物有很高的硬度，并且含量大且比较致密 ，所以一般都有较好的耐磨性能。中碳或高碳钢渗铬后渗层含有大量的碳化铬，平均含铬量可高至80%,硬度可达HV1800以上，渗铬层的高硬度和低摩擦系数赋予它有利的抗磨损性能。渗铬技术因此在许多抗磨损的应用中发挥了卓越的作用，如渗铬的锻模、搓丝板、丝攻、挫刀、磨刀棒、打印针等。渗铬近年来在机械零件抗磨损方面批量应用的一个成功例子为高速精密链条销轴的渗铬。轿车、摩托车发动机链条在高速运转工作条件下，主要失效形式为销轴磨损造成链条伸长。目前国际上名牌链条均采用销轴渗铬或渗铬复合处理工艺来满足链条抗磨损要求，而国内链条行业仍普遍采用碳氮共渗或渗碳处理工艺，链条的磨损问题一直未得到很好解决，用于大排量摩托车及高级轿车发动机的重要链条只能依赖进口。针对链条销轴具有尺寸小、精度高、批量大的特点，武汉材料保护研究所成功地开发出一套适用于链条销轴表面强化的固体气相法稀土催化光亮渗铬工艺及装备，将渗铬技术应用于链条销轴，在工业化批量生产条件下能够稳定可靠地获得均匀致密的表面化合物层。 1.2.3抗高温氧化及高温腐蚀的应用

渗铬和以其为主的共渗和复合渗都能提高抗高温氧化性，其中铬铝共渗比单纯渗铬或渗铝具有更好的抗氧化性和抗蚀性，适用于钢铁、镍基合金、钴基合金等。铬铝硅三元共渗可获得更好的高温抗氧化性、高温抗蚀性和热疲劳抗力。渗铬钢在950℃以下的氧化、还原或渗碳气氛中性能都很好，温度超过950℃时，渗铬层在氧化气氛中会逐渐遭到破坏，但是在渗碳、中性或还原气氛中，直到1150℃性能仍好，因此渗铬钢在高温工业中大有用处。己成功地采用渗铬钢制造热交换器和过热器的部件和管子，并在连续使用中效果良好。燃煤或燃油锅炉及燃气轮机常会遇到含硫及钒灰引起的腐蚀，这种腐蚀甚至使高镍铬的耐热钢也产生严重的点蚀。已经发现渗铬能使碳钢和不锈钢在这类介质中的抗蚀能力大为改进。采用铬一铝或铬一硅共渗处理的耐热零部件，在氧化气氛中抗高温腐蚀的能力特别强，渗层在900～1000℃的温度间无破坏趋向，在高达1100℃的温度下也能经受相当长时间。 1.3 等离子渗金属技术 1.3.1等离子体

等离子体是一种电离超过0.1%的气体,通过辉光放电获得的等离子体实际上是正离

子、负离子、分子、中性原子、电子、光子等各种粒子的集合体。等离子体整体呈中性，但含有相当数量的电子和离子，表现出相应的电磁学等性能，如等离子体中有带电粒子的热运动和扩散，也有在电场作用下的迁移。等离子体是一种物质的能量的聚集状态，被称为物质第四态。利用粒子热运动、电子碰撞、电磁波能量法以及高能粒子等方法可

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获得等离子，但低温产生等离子体的主要方法是利用气体辉光放电。具有足够能量的粒子与中性的气体原子或分子相撞，会使其处于激发态，成为活性原子或离子/这些活性原子或离子比较容易被金属表面吸收，进入金属内部。离子扩渗的基本工作原理：工件为阴极，容器壁为阳极，调节溶剂送气和抽气速率，使维持133~1 333Pa的压力，极间施以300V以上的直流电压，使产生辉光放电。

离子轰击阴极工件表面时将发生一系列物理、化学现象，包括中性原子或分子从阴极溅射现象（也可看作蒸发过程）、阴极溅射出来的粒子与靠近阴极正反

面等离子体中活性原子结合的产物吸附在阴极表面的凝附现象、阴极二次电子的发射现象以及局部区域原子扩散和离子注入等现象。

等离子体中，带电粒子在放电空间中不断进行着三种运动：热运动、电场作用下的定向迁移运动、及沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动。在运动过程中，带电粒子与中性粒子不断地进行碰撞，把一部分能量转化为中性粒子的动能，提高了体系的温度；另一部分则使粒子内能提高，引起激发、分解和电离。由于带电粒子在气体中分布不均匀，造成带电粒子具有沿浓度递减方向扩散的趋势。电场强度小的时候，定向扩散速度慢于热扩散速度;电场强度大的时候，电场引起的扩散比热扩散速度快。气体放电等离子区的扩散属于前者，靠近电极附近的扩散属于后者。 1.3.2离子氮化原理

在低于一个大气压渗氮后气氛中,利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为等离子渗氮，又称为辉光离子渗氮。

在真空室内（133~1330Pa），阴极（工件）与阳极（容器）之间通高压（400V~1100V）电，可使通入真空室中的氨（或氮、氢混合气）

电离，并在工件周围产生辉光放电。此时氮

图1-1 离子渗氮过程表面反应

离子向工件（阴极）表面冲击，加热工件（阴极）表面冲击，加热工件关在静观富集FeN,分解后渗入钢铁材料。离子渗氮过程表面反应如图1-1所示，可概括为下述四个步骤：

(1) 载能电子产生电离和中性氮原子： e- N2 = N+ +N + 2e-

(2) 氮离子轰击工件表面，溅射铁及表面污物，起到加热及清洁活化表面的作用。 (3) 溅射的铁原子与气相中性氮原子在邻近工件表面发生反应生成FeN：

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Fe + N =FeN

形成铁氮化合物。

由于辉光放电氮离子含有高浓度氮原子，使得工件表面存在高浓度新生成氮，故能迅速(4) FeN在工件表面的沉积和分解

在等离子体连续的离子轰击作用下，FeN进一步分解成ε相，（Fe2-3N）和γ`相（Fe4N），形成Fe/N化合物区。在分解的同量，原子氮释放到等离子体或释放到工件表面，向内部扩散，并形成氮化物合金扩散工，由于离子轰击，在表面层约0。05mm内产生密度极高的位错与缺陷，扩散加速。 1.3.3辉光放电现象

本课题的辉光放电是低压气体在高压直流电场作用下，伴随气体原子和分子的激发一复位和电离一复合过程的可见光电磁辐射而发生的自激放电。通过气体分子和原子的电离，不断地产生新的带电粒子，它们在阴极和阳极之间的运动形成连续的电流，其伏安特性曲线如图1-2所示。

在含有稀薄气体的真空容器两极间施加电压，开始阶段，电流并不明显，当电压达到c

点时，阴阳极间电流突然增大，阴极部分表面开始产生辉光，电压下降；随后电源电压提高，阴极表面覆盖的辉光面积增大，电流增加，但两极间的电压不变，至图中d点，阴极表面完全被辉光覆盖；此后，电流增加，极间电压随之增加，超过e点，电流剧烈增大，极间电压陡降，辉光熄灭，阴极表面出现弧光放电。c点对应的电压称为辉光点燃电压。在oc段，气体放电靠外加电压维持，称为非自持放电；超过c点即不需要外加电离源，而是靠极间电压使得稀薄气体中的电子或离子碰撞电离而维持放电，称为自持放电。从辉光点燃至d点，称为正常辉光区de段为异常辉光区。离子轰击处理工作在异常辉光区，在此区间，可保持辉光均匀覆盖工件表面，且可通过改变极间电压及阴极表面电流密度，实现工艺参数调节。

图1-2 辉光放电伏安特性曲线

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图1-3 辉光放电的发光分布及各种特性 a－阿斯顿暗区；b－阴极辉区；c－阴极暗区； d－负辉区； e－法拉第暗区； f－正柱区； g－阳极暗区； h－阳极辉区。

测量电流和电压以确定是否出现辉光放电往往是不必要的，这是因为辉光放电过程完全可同是是否产生辉光来判定。众多的电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激跃到高能态，而后又衰变到基态并发射光子，大量的光子便形成辉光。辉光放电时明暗光区的分布情况如图1-3。

(a)阿斯顿暗区 靠近阴极表面约1mm厚的地方，电子从阴极发射出来立即进入高电场强度区并被加速，但因为刚离开阴极，所以速度还很小，不能产生激发，所以没有发光现象。

(b)阴极辉区 电子被加速到足以产生激发，产生辉光。

(c)阴极暗区 电子经阴极辉区后，速度进一步增加，足以产生电离，而激发很少，所以为暗区。

(d)负辉区 在阴极暗区电离的电子多数是慢电子，它们因受到多次非弹性碰撞能量降低，小于电离能，但可以产生激发碰撞和电子与离子间的复合，故在此区产生大量的激发发光和复合发光，负辉区的光最强，和阴极暗区有明显的界限。

(e)法拉第暗区 大部分电子已在负辉区损失了能量，此区电场很弱，电于已无足够的能量进行明显的激发和电离，所以光度很弱。

(f)正柱区 此区正负离子数相等，又称为等离子体区，带电粒子密度一般为1010～1012个／cm3。正离子迁移率很低，电子迁移率高；因此等离子体区是一强导体。它在气

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体放电中的作用就是传导电流。正柱区的电场强度比阴极小几个数量级。在等离子体区主要是无规律的运动，其运动速度比迁移速度大几个数量级，产生大量的非弹性碰撞。

(g)阳极辉区 在等离子体区的阳极端，电子被阳极吸收，离子被阳极排斥．所以阳极前形成负的空间电荷，电位急剧升高，形成阳极电位。电子在阳极区被加速，足以在阳极前产生激发和电离；因此，形成阳极挥。阳枉电位有时为正，有时为负，当从阴极跑到阳极端的电子数大于等离子体区中由杂乱运动而打到阳极上去的电子数时，阳极电位为正，电子被加速，否则阳极电位为负。 1.4 双辉等离子渗金属技术 1.4.1双辉等离子渗铬技术概况

随着生产的强化，材料科学和材料加工工艺的不断发展，世界各国已研制和正在研制各种类型的抗磨耐腐蚀金属材料，以满足迅速发展和经济增长的需要。其中高铬耐磨耐腐蚀材料是一种十分重要、用途极为广泛且性价比高的工程材料，这就决定了渗铬这一表面工程技术，将在工农业生产中得到相当广泛的应用。

渗铬是通过加热扩散，将铬元素渗入工件表面形成无孔隙铬合金扩散层的一种化学热处理方法。相对于电镀层和热喷涂层来说，渗铬层有许多优点：它与一般电镀层相比，致密性好，与基体形成固溶体，为冶金结合；比热喷涂层光洁、致密。更重要的是它可以在工件上得到渗层均匀，成分可控的合金化层，而这点恰恰是电镀层和热喷涂层难以达到的。自从渗铬工艺出现以来，至今已开发出了多种渗铬方法，各种方法依其过程中物理化学特性，可分成几种：即固相法、气体法、液体法以及双辉等离子法。

固相法是用固体渗剂渗铬。一般可分为接触法和非接触法两种．接触法依赖工件表面与铬块或铬粉直接接触加热互扩散形成渗层；非接触法则基于铬高温的升华现象，使铬沉积在工件表面并扩散渗入。固相法渗层不均，工作条件比较恶劣，工件尺寸受到限制。所以工业上一般不宜采用。

气体法是以含铬化合物的气相(活性相)与被渗工件基体金属表面的相互作用或被还原性气氛得到的活性铬沉积于工件表面，并扩散渗铬的方法。气体法由于可实现自动控制，在目前的渗铬工艺中担当着重要角色，但因其在环境污染和对设备腐蚀方面造成的影响较大，故在生产受到一定的限制。

液体法是用含铬的熔盐或含铬的熔体向工件表面传递铬的活性相，前者是利用金属和熔盐分界面上的电化学反应实现供铬，后者则直接供铬。液体法可以通过改变盐浴成分来控制渗层的生长过程，所以其前景较好。但其工艺的精确控制、成分的定量、渗后工件清洗和能源消耗问题较为突出，所以给生产推广带来一定的困难。

双辉等离子表面渗铬技术利用物理手段和阴极溅射，将由含铬的源极材料中的铬以原子、离子或粒子团的形式溅射出来。提供欲渗铬的原子，完全是一种表面物理冶金的方法。该技术目前渗铬处理温度一般在900℃左右，由于处理温度较高，影响基体的组织性能，并存在工件变形等问题。因此，如何降低渗温，是双辉等离子渗铬需要重点解

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决的一项技术难点。

1.4.2 双辉等离子渗铬技术的物理过程

双辉等离子渗金属的基本物理过程可分为粒子对源极表面的轰击、源极溅射、溅射原子流的空间输运、工件表面上的反应和金属元素的渗入过程五个部分。 (1) 辉光放电和粒子对源极表面的轰击

在辉光放电系统中，由气体放电理论可知，绝大部分的工作电压均施加于靠近阴极表面狭窄的阴极位降区上，该区内的电场近似呈线性分布。阴极发射的电子经电场的加速，与气体原子发生电离碰撞而产生离子与新的电子，离子在电场作用下向阴极运动，轰击阴极表面而激发出二次电子，两者共同维持放电的进行，与外电路保持电流平衡，而阴极表面则受到载能离子的持续轰击。

实际过程中，离子在向阴极的飞行途中，会与气体原子发生碰撞而将能传递给气体原子，因而阴极所承受的轰击中还包含了高速运动的原子的贡献。 (2)源极溅射

在电场中被加速的气体离子和经碰撞获得高能的气体原子轰击源极表面，与源极表面的金属原子发生弹性相互作用，发生碰撞和碰撞级联，并产生金属原子的溅射现象。呈电中性的金属原子被溅射进入空间，成为溅射原子流。 (3)溅射原子流在空间中的输运

溅射原子流进入空间后，与热运动的气体原子发生碰撞，从而使自身的能量降低，结果在源极前沿产生溅射原子堆积，最终能量降低到同气体原子的能量相同，在源极前沿产生浓度峰值，在浓度梯度的驱动下发生背向扩散和前向扩散。背向扩散导致在源极表面的再沉积，而前向扩散则产生对工件表面的供应。 (4)工件表面上的反应

金属原子沉积到工件表面，以及高能粒子对工件表面进行轰击，使得工件表面的原子交换作用极为活跃，产生碰撞和碰撞级联。其中一部分金属原子又被溅射到空间中并发生再沉积，另一部分则停留在工件表面并向内部渗入。同时，由于金属原子的轰击作用，使工件表面和内部产生大量的过饱和点缺陷并向内部扩散。这种作用极大地增强了金属原子向工件内部的扩散速度。 (5) 金属元素在工件内部的渗入扩散

由于浓度梯度和过饱和点缺陷对金属原子的扩散增强作用，金属原子不断向工件内部扩散渗入。但由于工件的成份和组织以及各种因素的影响，使渗入过程描述起来极其复杂。金属原子最终与工件作用形成复杂的渗层组织。 1.4.3 双辉等离子渗铬特点

双辉等离子渗金属技术成功地解决了高熔点金属难以渗入的技术问题，具有许多优点：

(1) 渗速快。

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在双层辉光离子渗铬过程中，首先由于高电位的源极向工件表面持续提供高浓度的足够量的活性铬原子，阴极溅射效应为欲渗铬原子和离子在工件表面的吸附和渗入创造了一个高度活化的表面，且使工件表面出现高密度位错层，致使欲渗铬原子在表面位错扩散区内，有较大的成分浓度和扩散速度，提高了渗层的生长速度。

(2) 渗层成分易于控制。

通过先期设计源极成分和调整工艺参数，可以按要求控制渗入元素供给量和渗层组织结构，从而保证表面性能。

(3) 渗层与基体结合强度高。

渗层主要依靠扩散方法形成，合金元素在表面层呈梯度分布，渗层与基体之间为冶金结合，结合强度高，不易脱落，克服了热喷涂或电镀技术存在的膜基结合强度低的弱点。

(4)渗层厚度可控。

根据工艺和材料不同，渗层厚度可在几个微米到上百微米之间变化，大大高于离子注入技术和各种沉积技术。

(5) 工件无需去钝处理。阴极溅射效应可有效地去除工件表面氧化物及其它异物。 (6) 原材料及能源消耗少。

由于只在表面进行合金化处理，与冶炼合金钢相比，可以大大减少合金元素的消耗量，降低成本，可以用成本较低的普通材料通过表面合金化代替许多昂贵的合金钢。

(7) 无公害，无有毒有害物质排放，工人工作环境好。 1.5低温渗镀铬理论基础

在辉光离子渗铬过程中，高电位的源极向工件表面持续提供高浓度的足够量的活性铬原子，阴极溅射效应为欲渗铬原子和离子在工件表面的吸附和渗入创造了一个高度活化的表面，且使工件表面出现高密度位错层，致使欲渗铬原子在表面位错扩散区内，有较大的成分浓度和扩散速度，提高了渗层的生长速度。 1.5.1. 铁材料渗铬的金属学理论基础

(1) 铬与α-Fe铁无限互溶

金属铬与金属铁同属第四周期，而金属铬为第VIB族元素，原子序数为24，原子量为52(51.9961)，常用化合价为：+2,+3,+6价，原子半径为1.85，+3价离子半径为0.62，共价半径为1.18。铁为第VIII族元素，原子序数为26，原子量为56(55.847)，常用化合价为+2,+3价，因二者的原子半径相近，电负性相近，因此能形成无限互容的置换固溶体。据Fe-Cr相图可知，铬在γ-Fe中的固容度最大约为14.3%（图1-4）。因此，从固溶度的角度分析，在低温下α-Fe比γ-Fe更容易形成高铬合金层。

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 30 页 Assessed Fe-Cr phase diagriagram. 图1-4 Fe-Cr相图 (2) 离子氮化机理 当氮渗入α-Fe时，根据形成不同的相而在α-Fe中的位置不一样。α相为体心立方的含氮铁素体，氮原子位于α-Fe晶格的八面体间隙中。在590℃时，氮在α-Fe中的溶解度为0.11%。γ相是面心立方晶格的含氮奥氏体，氮原子无序分布在八面体间隙中，其在γ相中的溶解度为2.8%。有关数据表明，在500~850℃时，氮在α-Fe中的扩散系数为7.8?10?3(cm2/s)左右，激活能为79.1KJ/mol左右，可见氮在铁中的扩散是较容易的。当氮渗入α-Fe后将引起铁的晶格畸变，从而使α-Fe晶格节点上的铁原子处在高能态，降低了铁原子的激活能。 当氮进入α-Fe基体且超过在α-Fe中的溶解度后，首先生成γ'相。若氮化继续，则形成?相。当渗氮层缓慢冷却时，表层形成沿金属表面的垂直方向和平行方向成长的氮化物，渗层组织包括α'相，γ相、γ'相，?相及?等相。其中α'相随回火进行生成稳定的Fe4N， γ

'相是以Fe4N为基的固溶体，590℃时，含氮5.3~5.75%，为面心立方

晶格，氮原子有序分布在晶胞中心位置，HV约500左右，γ'相在570℃以下是稳定的，高于此温度将转变成?相。而?相是以Fe2~3N为基的固溶体，含氮量约4.55~11.0%，为

' 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 30 页

密排六方结构，650℃进发生共析分解，转变为γ+γ'，共析含氮量为4.5%， HV约250左右。?相为以Fe2N为基的固溶体，氮原子呈有序分布，斜方晶格，氮浓度为11.07~11.35%，在450℃以下是稳定的。 1.5.2渗铬的表面改性理论基础

(1) 铬与碳结合

铬是强碳化物形成元素，渗入钢基体后，将与碳很快结合形成化合物（在600℃以下也能形成），主要是Cr7C3和Cr23C6。其中Cr7C3形成后处于压应力状态，具有较好的韧性，HV达1800～2300，能大幅提高表面的耐磨性。当表面铬含量超过13％，将会提高表面的耐腐蚀性及抗高温氧化性，同时也能显著改善材料的抗疲劳性能，具有优良的综合性能。Cr23C6形成后在材料表面处于拉应力状态，HV达1300～1400，也能提高材料的耐磨性、耐腐蚀性及抗高温氧化性，但降低材料表面的抗疲劳性能。另外，由于阴极溅射和铬的渗入，将会不同程度的引起次表层的碳原子迁移。而铬在基体中形成固溶体，使基体的强度并不下降。

(2) 铬与氮结合

在钢的基体内渗入铬和氮后，二者可以结合形成Cr2N和CrN，其中Cr2N的含氮量为11.86%，密排六方结构，HV达1571，耐磨、耐腐蚀、稳定且摩擦系数低。CrN的含氮量为21.21%，面心立方结构，HV达1093，耐磨、耐腐蚀、稳定且摩擦系数低。 1.6 双辉等离子渗铬原理

双层辉光渗铬的工作原理结构图如图1-5所示：炉体结构由炉体、阳极罩、真空泵、阴极、源极、阴极电源、源极电源、气源及测温装置等组成。源极与阳极罩之间由源极电源供电，阴极与阳极罩之间由阴极电源供电，试样放置在辅助空心阴极内的托盘上。渗铬时，首先将炉内抽真空至规定值，再将阴极电源与源极电源分别加上，同时通入氩气或其它气体。在电场的作用下，通入的气体被电离形成等离子体。在阴极电源的作用下，等离子体里的正离子奔向试样，轰击试样而把试样加热，由测温装置控制试样温度在规定的范围内；与此同时，在源极电源的作用下，等离子体里的正离子也奔向铬源极，轰击铬源。一方面将铬源极加热到较高的温度，另一方面，由于源极电压较高，离子的轰击的能量较大，能将铬的原子或粒子团打出，以原子、离子或粒子团的形式进入等离子区，在电场或重力的作用下，运送到试样并沉积和吸附在试样表面，在一定的温度下，通过扩散进入试样基体内。

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图1-5 渗铬原理图

VV试样氩气入口阳极罩空心源极辅助空心阴极阴极盘炉体至测温装置至真空泵

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2 课题的提出

2.1 课题的提出

碳素工具钢目前在工程应用上非常广泛, 虽然其具有一定的强度及韧性，成本低廉且容易加工，但是由于硬度低、耐磨性差, 而使其应用受到很大限制。因此，对碳钢的表面进行强化处理，提高其表面性能，扩展其使用范围，具有重要的科学意义和实用价值。而离子渗氮、渗铬以其众多的优点成为目前比较流行的表面改性技术。铬是一种强氮化物元素，铬与氮的原子结合能高于铬与铁的原子结合能，故渗铬前进行预氮化，最终试样表面可以形成氮铬合金。因此，本课题主要对不同氮化工艺下的碳钢低温渗铬的组织、成分、性能进行研究，提供合理的碳钢低温渗铬及离子氮化复合工艺参数。 2.2 课题的研究内容

本课题主要研究不同氮化工艺对碳钢离子渗铬的影响： （1） 研究不同的氮化工艺对渗铬层硬度的影响。

（2） 研究氮化后渗铬、直接渗铬、渗铬后氮化和二次氮化的金相组织，成分变化。 （3） 研究氮化后渗铬、直接渗铬、渗铬后氮化和二次氮化的耐磨性能。 2.3. 课题的研究意义

（1）通过对本课题的研究，将对不同氮化工艺对碳钢离子渗铬的影响有较全面的认识，提高碳钢性能和应用范围；

（2）研究离子氮化对渗铬的影响，从而提供渗氮对于强氮化物元素合金化时的表相作用；

（3）研究低温表面强化技术，提供一种解决高温处理变形较大的提高表面性能的工艺途径。 2.4 技术路线

直接渗铬 氮化后渗铬 制样 性能检测(硬度、组织、X射线衍射) 磨损试验 渗铬后氮化 氮化后渗铬再氮化

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2.5实施方案

用多功能离子渗金属设备进行离子渗氮、离子渗金属工艺研究；用HV-1000型显微

硬度计进行渗层硬度检测；用XQ―2型金相试样镶嵌机镶嵌金相观察试样；用MP-2金相研磨抛光机抛磨试样；用HV-1000型显微硬度计测试样的表面硬度 ；用日本JEOL／JSM-5610LV扫描电镜和上海长方光学金相显微镜进行微观组织观察；用德国Bruker-axs-D8型X－射线衍射仪进行表面物相检测与分析；采用GZTC-1型磨损仪进行摩擦磨损性能测定；采用FA2004万分之一克的电子分析天平称重。 2.6 课题的可行性分析

（1）氮原子的渗入，将在钢中形成间隙固溶体，可引起铁原子的晶格畸变，使畸变晶格节点上的铁原子处于高能态，从而降低了铁原子被置换的激活能，也即有利于扩散。这将可以提高扩散的速度，利于在短的时间内形成较厚的渗层和达到较高的固溶度。

铬是强碳化物和氮化物形成元素，极易与钢中的氮原子和和氮化物。形成的氮化物和碳化物硬度高，稳定性好，耐磨性和耐蚀性能强。

(2)真空条件中，在高电压作用下，一个氩离子在阴极位降区中（dk区）所获得的平均能量为50ev，而一个金属原子被从晶体结构溅射出来，需要平均约25ev，这就为欲渗铬原子的供给量提供足够的保证。从理论上来分析，每个氩离子对源极的轰击，能够提供铬原子的供给数量。(2)在阴极溅射效应的作用下，置放于阴极托盘的试样受到等离子体的轰击，在试样表面大量的表面缺陷（点缺陷、位错等），使其表面活性增加，有利于吸附外来的铬原子并在表面形成较高的个浓度，提高表面的扩散速度。在一般化学反应或热分解产生的铬原子的能量为0.1ev。而本实验采用的技术方法，从源极溅射出来的铬离子或原子，在电场作用下运动至试样表面时，所具有的能量约为10ev，是其一般情况的100倍。（3）固态扩散是依靠原子的热激活而进行的过程。温度越高，原子的热振动越激烈，原子被激活而进行迁移的几率就越大。原则上讲，只要热力学温度不是零度，总有部分原子被激活而迁移。试验在560℃～800℃下进行，从理论上分析，在本实验条件下扩散是可行的。（4）铬原子不断吸附在试样表面，形成高铬区。此时控制阴极溅射效应，使铬原子的吸附量高于溅射量，就会在试样表面形成铬沉积层（即镀层）。从热力学来看，铬原子自表面至心部存在着浓度和化学位自高到低的梯度差，同时在电场的作用下，铬原子将在试样自表面向心部扩散，形成带浓度梯度的镀层和扩散层相结合的复合渗镀层。

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3.试验工艺流程

3.1 材料的选择

选择Q235钢作为实验材料，尺寸为φ10×12， 所有试样材质均匀无缺陷。源极为棒状铬丝，成分为64%，其余为铁，尺寸为φ6×20。 3.2 工艺步骤 3.2.1渗铬的工艺步骤

每进行一次等离子渗铬实验，都需完成以下步骤：

（1）试样的准备：采用已经加工好的Q235钢尺寸为φ12×12的小试样；然后在砂轮机上去锈打磨，再用MP-2金相研磨抛光机快速打磨（采用240#，400#，1000#，2000#砂纸），直到磨出光亮平整的表面。

（2）试样的清洗：采用棉花攒取少量丙酮溶液擦洗试样的表面，目的是清除试样表面的异物，保持一定的活性。

（3）源极的准备：把一个圆柱型铁桶（作为空心阴极）钻上小孔，小孔排列整齐，然后在把铬丝顺序插上；铬丝保留桶内5mm左右，伸出桶外约3～5mm。

（4）试样的放置：将清洗干净的试样排列整齐放于自制的圆形阴极盘上，同时为了使试样的温度均匀，试样之间的距离要适当，内圈试样摆放疏松点，外圈摆放密点，周围还放上一些其它碳钢，旨在增加起辉面积。

（5）装炉：将热电偶插入到瓷管中，保留约0.8mm的间隙，避免热电偶与工件间的接触，克服热电偶在接触部位的电弧放电；同时留有约8mm长度在瓷管外面，能避免局部温度过高造成的熔化。

（6）源极的放置：在保证极间距（50mm左右）的情况下，把准备好的圆柱型桶悬吊在源极正上方；同时保证与辅助空心阴极的间距50mm左右。

（7）关炉：手动调节吊车按钮，最好有2人同时操作。一人负责操纵吊车，一人扶住阳极罩（以防炉壳晃动）。在阳极罩与炉底接近时，换为手动链子，拉到吊钩与阳极罩松动时即可停止。

（8）抽真空：拧紧真空阀，切换到B炉体；启动真空泵2，同时把真空流量计电源打开；直到真空值抽到7Pa以下，此次过程大约需要15分钟。

（9）等离子渗铬：调节Ar流量、阴极电压、源极电压、占空比，保证适当的升温速度到恒温时则可经不同时间保温。

（10）取试样：根据不同温度，经不同时间保温后，当冷却到室温时即可取出。试样表面及辅助空心阴极内部呈银白色；源极表面也呈银白，其末端变尖，特别光亮。 3.2.2组织性能检测的工艺步骤

（1）试样的打磨

试样是圆柱型，采用MQ3220台式砂轮机打磨。先在砂轮机正面将试样磨出一侧面，然后在砂轮机侧面磨成一平面；打磨时用力要均匀，磨出的平面一定要平整，为金相镶

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 30 页

嵌做准备。打磨时候温度会很高，实验中应注意淬水。

（2）试样的镶嵌

使用XQ―2型金相试样镶嵌机进行镶嵌，镶嵌时把试样被打磨过的面朝下放平整，加入一定量的橡胶粉，压入圆柱形钢材，旋紧螺帽，在140℃保压5min左右。开启时，把摇动手柄往下摇几圈松动，上面的螺帽往下拧几圈，然后再开启。这样操作安全，试样不会弹出，而且得到的试样光滑。若压制不成功，可选择关闭机子，在低温70℃时放入，把摇动手柄往上至最紧开始保压，同时把保压时间适当延长，便可压出光滑的试样。镶嵌时需注意安全。

（3）试样的抛光

将压制好的金相试样置于MP-2金相研磨抛光机上快速打磨（采用240#，400#，1000#，2000#砂纸），使表面平整，试样部分肉眼观察在同一平面上，且试样上面的划痕且浅。注意水冷，避免由于摩擦时温度过高组织发生变化。再用由粗到细的金相砂纸单向打磨2～3道至光亮无划痕，注意打磨时保持在同一个平面上。最后进行机械抛光：在机子上装好绒布，加入一定量的抛光悬浮剂三氧化二铬粉，以1000r/min的速度将试样压于抛光盘上抛光，最终可获得一光滑无划痕的试样。

（4）表面腐蚀

抛光后的试样如果未经过处理，无法看到基体组织和渗层组织。 本实验选用4%的硝酸酒精溶液作为浸蚀剂。在腐蚀前，先用清水把试样表面的黏着物冲洗干净后，用吸水纸把表面的水吸干，再滴上4%的硝酸酒精溶液腐蚀，时间约5s。经过腐蚀后的表面，由于化学成分和相结构的不同，受腐蚀的程度有所区别，在试样表面形成的凹凸不平的形态。肉眼可观察到试样表面颜色由光亮变至暗淡，对有些脱碳比较严重的试样，由于脱碳层耐腐蚀，试样两侧仍然光亮。用清水冲洗干净表面的腐蚀液，吸水纸将水分吸干。在显微镜下即可观察出金相组织特征。

（5）金相观察

调试好金相显微镜，把试样放在平台上，对光观察，可以观察到试样一侧有一层沉积层。部分试样沉积层均匀且结合紧密，沉积层与基体之间有一明显的分界线，几乎是一条直线；部分试样的沉积层不连续，结合也不致密，但某些地方连续且致密与基体结合较宽。

（6）渗层硬度测试

在维氏显微硬度计上，可以清晰地看到试样的金相组织。由于渗层较薄，人为误差大，故仅选择在渗铬层的基体部位测试硬度，避免由于人为误差影响实验数据的正确性。在选择测试点距离间隔尽可能远，相距太近在两点之间会相互影响。一般表面硬度在1000～1200HV之间，基体心部硬度较低，约在150～200HV之间。

（7）SEM检测

通过扫描电镜可以观察渗层的形貌和估量渗层厚度。使用更高倍数观察渗层的细微

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结构。在所拍的扫描电镜照片中，可以较准确地估量渗层的厚度。采用×2000，×4000几个放大倍数观察渗层形貌。在高倍数的放大中，可以观察到渗层的结合情况，并且渗层与基体的结合程度。

（8）X-射线检测

运用X-射线衍射仪可以分析检测表面结构，对表面结构的变化进行分析。可测出渗层元素的相组成。

（9）采用GZTC-1型磨损仪，分段时间检测试样的磨损情况。

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 30 页

4 实验结果与分析

双层辉光离子氮化与渗铬技术的主要工艺参数包括温度、保温时间、气压等。本课题通过研究各种工艺参数对碳钢表面的硬度、组织变化、耐磨性能的影响来确定渗铬时最佳的氮化工艺。 4.1 渗层的显微硬度

表一：不同工艺条件下的表面硬度值 材料 Q235钢 Q235钢 Q235钢 Q235钢 Q235钢

硬度/HV工艺参数 原始试样 520℃×9h渗氮 520℃×9h渗氮+630℃×6h渗铬 630℃×6h渗铬+520℃×9h渗氮 ×9h渗氮 显微硬度（HV） 160 350 220 750 520℃×9h渗氮+630℃×6h渗铬+520℃700 硬度800750700640600

50040035030020022016010012345图4-1:不同工艺的硬度曲线

X轴数值表示: 1-原始试样 2-520℃×9h渗氮

3-520℃×9h渗氮+630℃×6h渗铬 4-630℃×6h渗铬+520℃×9h渗氮

5-520℃×9h渗氮+630℃×6h渗铬+520℃×9h渗氮

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 30 页

从表一及图4-1分析，可以得出如下结论：

（1）直接渗Cr没有提高基体表面硬度，仅进行渗铬，形成铁-铬固溶体，其固溶强化效果不明显；

（2）氮化后渗铬对表面硬度的提高影响不大，分析原因，可能是由于渗铬时的温度（630℃）高于碳钢的离子氮化温度范围（450℃～580℃）,试样表面的氮化层发生共析分解，在随后进行的渗铬过程中，没有形成铬-氮强化相，故强化效果不明显；

（3）渗Cr后离子氮化，表面硬度达HV750，与原始试样相比，提高了约5倍。铬是一种强氮化物及碳化物形成元素，渗Cr后再渗氮形成的含铁和铬的各种氮化物及碳化物，显著提高了表面硬度；

（4）二次氮化后硬度为HV700左右，与渗铬后氮化硬度相差不大。由此可见，后续的氮化处理，是提高渗铬后表面硬度的一项有效手段；

（5）直接氮化后的硬度只有HV350，相比渗铬后氮化处理，其表面强化效果较差。

4.2渗层的显微组织

图4-2(a)原始试样显微组织（×100） 图4-2(b)原始试样显微组织（×400）

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 30 页 图4-3(a)直接渗铬显微组织（×100） 图4-3(b)直接渗铬显微组织（×400）

图4-3为直接渗铬的金相图，从中可以看到：在低温情况下，利用双层辉光离子渗金属技术，在碳钢表面形成含铬沉积层；沉积层平整连续、组织均匀且与基体有明显的分界线。看不出向内的扩散层，这由于渗铬在相变点之下，基体为a-Fe铁素体＋珠光体组织，渗铬时，基体没有相变产生，且由于渗铬工艺温度较低, 可能铬的含量也较低。此外基体组织晶粒细小,并基本保持了原始组织的形态，试样表面无脱碳现象。

表面明显的沉积层说明，在离子渗铬的过程中，离子溅射提供的铬原子大于吸附于试样表面向内扩散的铬原子量，即表面供给量大于向内扩散量，因而出现沉积层。

图4-4(a)氮化后渗铬显微组织（×100） 图4-4(b)氮化后渗铬显微组织（×400）

图4-4为氮化后渗铬的金相图，从中可以看到：经过氮化后渗铬，未能看到 明显的沉积层（白亮层），从图4-4(b)看到表面出现细小的晶粒组织，明显比晶体内的晶粒小得多。初步判断这可能是由于预先氮化的氮原子与表面渗入的铬原子形成小的颗粒（有明显的小亮点），造成了表面的晶格畸变，当能量积累到恢复再结晶的条件时，产生了动态的恢复再结晶过程，但是细小的质点阻碍了进行恢复再结晶晶粒的长大。关于这一点，希望在后期的研究中，进一步深入进行。

此外从图4-4(a)与图4-4(b)中并没有发现脱碳现象，且基体组织没有发生变化；

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图4-5(a)渗铬后氮化显微组织（×100） 图4-5(b)渗铬后氮化显微组织（×400）

图4-6渗铬后氮化SEM照片（×2000）

图4-5、图4-6分别为渗铬后氮化的金相图SEM照片，从中可以看到：明显氮化的ε白亮层，渗铬后氮化的白亮层与基体有明显的分界线；由图4-5(a)看到白亮层下面存在严该层均匀平整且组织致密，与基体为冶金结合；渗铬后氮化的白亮层与氮化后渗铬的厚度相差不大。从图4-5(b) 组织中看到明显的氮化脉状组织。可能是由于氮化时间较长，同时内部基体含有铬元素。大大地提高了表面的氮含量。此外，渗铬后氮化在次表层出现较严重的脱碳现象，这实际上是在渗铬的时候产生的，因为铬是强氮化物形成元素，渗铬时将次表面的碳原子吸纳到表面，表面由于离子轰击的作用，将碳原子溅射出表面，出现表面的碳浓度梯度，产生扩散化学位动力，内部的碳原子向外扩散，形成脱碳层。

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图4-7(a)二次氮化显微组织（×100） 图4-7(b)二次氮化显微组织（×400）

图4-7为二次氮化的金相图，从中可以看到：试样的ε白亮层比渗铬、氮化+渗铬和渗铬+氮化的都要厚，可见二次氮化非常容易使得氮浓度提高，表面出现氮化物层，起到了强化作用。该氮化物层与基体有明显的分界线；组织中也看到明显的氮化脉状组织；白亮层下面的基体也有很严重的脱碳现象。

上述分析表明：低温情况下，利用双层辉光离子渗金属技术，可在碳钢表面形成含铬合金层；预氮化能促进铬在铁中的扩散，二次氮化能起到强化作用，使白亮层的厚度大幅增加；渗铬后氮化和二次氮化有脱碳现象。 4.3渗层相结构

■ ■■Fe◇Fe-Cr◇CPS→■

图4-8：直渗铬X射线衍射

102030405060◇◇7080901002θ/（°）由图4-8可以看出，低温渗Cr后表层主要由铁（Fe）及铁-铬固溶体（Fe-Cr）组成。这是由于铬与铁原子半径相近，电负相近，在630℃铬与α－Fe无限互溶，因此形成了铁-铬固溶体（Fe-Cr）。

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▼

?□?▼?●▼Fe3N?Cr2N▼Cr23C6□Fe-Cr?Fe3C●CPS→

??●???□?●??□1020304050607080901002θ/(°) 图4-9：渗铬后渗氮X射线衍射

图4-9为渗铬后渗氮X射线衍射图，在衍射结果中，表层主要由铁-铬固溶体（Fe-Cr）、铁的碳化物(Fe3C)和氮化物(Fe3N)、铬氮化合物(Cr2N)、以及少量的铬碳化合物(Cr23C6)组成。结果表明在氮化的过程中,表层的氮原子向内扩散;基体内的铬原子和碳原子外扩散,所以在表层形成了铁和铬的各种氮化物及碳化物。

250

050200■★?Fe-Cr-?Cr7C3-★Cr -■Y-衍射强度

150100■★?■★?

图4-10：氮化后渗铬X射线衍射

102030405060708090100X-衍射角度2θ

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图4-10为氮化后渗铬X射线衍射图，衍射结果可以看到：由于渗铬的温度过高（630℃），试样表面的氮化层发生共析分解，氮的含量大量减少，故从衍射结果中没有看到氮与铬的化合物，只有看到铁-铬固溶体（Fe-Cr）固溶体、铬和少量的Cr7C3。 4.4摩擦磨损性能

由硬质颗粒或硬突出与金属表面相互作用，使金属产生磨屑而导致材料破坏的磨损现象，称为磨粒磨损。磨损试验时，砂纸上的磨粒相当于刀具对试样的表层进行切削，也就是磨粒磨损。对于一般的磨损过程来说可分为磨合阶段、正常磨损阶段、严重磨损阶段。

用自制的GZTC-01型磨损试验机进行试验，该机的工作原理是：将具有一定粒度的砂纸平放在转盘上，调整磨头轴线与转盘垂直并使磨头与转盘保持一定的距离(约4~5mm)，试样装夹在磨头上的专用夹头内，并可随磨头内的加载装置一起沿轴向滑动以实现加载，转盘带动砂纸与试样产生相对运动，砂纸对试样进行磨损试验。

试验时首先把试样洪干后用分辨率为万分之一克的数字天平称重，再将试样夹持在磨损试验机的夹头内，并把试样端面调整到与转盘平行，再把选定的砝码加上，最后开动转盘并计时，到选定的磨损时间后停机，取下试样，洪干后再称重。

本次磨损试验采用上述磨损仪,工作参数为：载荷为600g , 磨盘转速560r／m ,2000号水砂纸（砂粒度为6μm），试验时加水。磨损时间分为2、4、6、8、10min，磨擦半径60mm。用万分之一克天平测质量损失。

工艺一：520℃×9h渗氮

工艺二：630℃×6h渗铬+520℃×9h渗氮

工艺三：520℃×9h渗氮+630℃×6h渗铬+520℃×9h渗氮

表二：不同工艺2000号砂纸、600g载荷和不同磨损时间磨损试验失重结果

工艺 工艺一 工艺二 工艺三

2min（g） 4min（g） 6min（g） 0.003 0.0044 0.0078 0.0106 0.0118 0.0043 0.0063 0.0055 0.0072 8min（g） 0.0067 0.0080 0.0129 10min（g） 0.0078 0.0088 0.0140

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失重/g0.0140.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.003246810 氮化渗铬后氮化二次氮化

磨损时间/min图4-11磨损中各工艺的失重曲线

由图4-11和（表二）分析表明：从磨损前2min上分析看出，只进行氮化的试样的失重最小，渗铬后氮化的试样的失重最大，二次氮化的试样的失重居中；从整体磨损失重来看，每个工艺的磨损前2min的失重都比较大，属于磨合阶段，而后面每2min的失重量则都趋向于平稳，也就是进入正常磨损阶段，故所做的磨损实验符合基本的磨损机理。

由图4-11磨损中各工艺的失重曲线可看到，正常磨合阶段中，每个工艺的每2min的失重量都差不多一样，时间与失重量成正比例关系；其中渗铬后氮化的曲线的斜率最小，也就是说在正常磨合阶段，渗铬后再氮化的失重量最小。但是从整个磨损过程看，氮化的试样的总失重最小 ，而它的硬度只HV350，比渗铬后氮化的试样的硬度少了一倍多。根据有关材料介绍，有些材料硬度较低因有更好的韧性比硬度高的材料更耐磨，而试样的组织不同所含元素不同也会导致硬度低的材料的具有高的耐磨性，再者试样表面因与外界接触与试样的内部有稍微的不同。再如图4-12所示，图中在I区，磨损受断裂控制，耐磨性随断裂韧性提高而增加；在II区，当硬度与断裂韧性配合最佳时，耐磨性最高；在III区时，耐磨性随硬度降低而下降，磨损过程受塑性变形所控制。因此材料的硬度对耐磨性的和有重要的影响，但是，仅用硬度来评价耐磨性是不合适的。 分析本磨损实验的原因，渗铬+氮化以及氮化+渗铬+氮化工艺过程中，渗铬形成的沉积层结合力较差，划痕仪检测结合力仅有约10N左右，按照一般的常规对比，偏小了一些。主要是由于工艺温度低，工作气压高，表面质量差，氮化铬沉积层硬度高，脆性大，渗铬扩散层薄且含量低，造成结合力较低。在磨损试验时，表面渗铬层极易剥落，

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失重增加。

图4-12： 断裂韧性、耐磨性、硬度的关系图

图4-13（a）渗铬后氮化的磨损形貌(×400) 图4-13（b）二次氮化的磨损形貌(×400)

图4-13所示的是磨损后的形貌，可以看出各种工艺下的渗镀层划痕形貌均相似，划痕外观较光滑、平整，无大块剥落。

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5 结论

（1）双层辉光离子渗金属技术是一种非常适合于高熔点金属表面进行合金化的表面改性技术。

（2）在630℃（相变点以下）低温状态下，利用双辉离子渗金属以及离子氮化技术，成功的在基体表面形成表面强化层，在基本保持原始组织不变的前提下提高了表面性能，渗铬后氮化和氮化后渗铬再渗氮（二次氮化）能提高Q235钢4～4.5倍的表面硬度。

（3）铬-氮表面强化层组织是由白亮层（ε相）＋氮化层＋基体组成，组织致密，与基体结合紧密，渗层相组成主要为Fe-Cr、Fe3C、Fe3N、Cr2N以及少量Cr23C6。氮化后渗铬再渗氮（二次氮化）的渗层厚度较厚。

（4）在水砂纸2000＃砂粒度为6μm的磨粒磨损情况下，渗铬＋氮化的试样在整个磨损过程的失重曲线的斜率最小，就是说其的耐磨性最好。

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