本文以高端軸承應(yīng)用為背景,研究M50鋼陽極層離子源輔助滲氮層組織和性能,在減少對試樣表面粗糙度影響的基礎(chǔ)上,獲得所需的組織與性能。研究了陽極層離子源等離子體的產(chǎn)生特性,分析空間位置、等離子體供電電流、爐內(nèi)氣壓對等離子體密度與離子能量的影響及變化規(guī)律;研究了滲氮溫度、含氮等離子體密度、爐內(nèi)氣氛與氣壓、滲氮時間對M50鋼陽極層輔助離子源滲層組織性能的影響;同時作為對比試驗,分析了參數(shù)對M50鋼輝光放電輔助滲氮層的組織與性能的影響。采用朗繆爾探針對產(chǎn)生的等離子體密度與能量進(jìn)行測量分析;采用OM、SEM、EDS對滲層組織結(jié)構(gòu)、磨痕形貌、磨痕元素成分、磨損量進(jìn)行觀察計算分析;對滲層的硬度梯度分布、摩擦磨損性能進(jìn)行測試分析;采用輪廓儀對滲氮后試樣的表面粗糙度進(jìn)行測量分析。研究結(jié)果表明對于陽極層離子源產(chǎn)生的等離子體,其密度隨著所加電流的增加而增大;在某一氣壓下達(dá)到峰值,過高或過低都會使其降低;存在一“等離子體密度高、能量小”的穩(wěn)定區(qū)間,作為滲氮時試樣的擺放位置。對于陰極板輝光放電產(chǎn)生的等離子體,其密度隨著陰極電壓的增加而升高,但都處于1015 m-3量級,正對著陰極板區(qū)域內(nèi)等離子體的密度與能量均很穩(wěn)定。M50鋼經(jīng)過4小時陽極層離子源輔助獲得的滲氮層,深度可達(dá)40μm,滲層未出現(xiàn)白亮化合物層,擴(kuò)散層中無脈狀組織;滲氮溫度、等離子體密度、混合氣體中氫氣含量的增加,均會提升滲氮層的硬度梯度與深層深度;表面硬度提升至1000HV0.1左右,滲層硬度分布下降緩慢,磨損機(jī)制主要為氧化磨損與粘著磨損,磨損率較未處理M50鋼降低80%以上,表面粗糙度由拋光后的0.015μm升至最高0.06μm。使用輝光放電輔助滲氮的M50鋼,相對于離子源輔助滲氮,獲得的滲層深度較淺,滲層硬度與表面硬度較低,滲層中無氮化物脈狀組織;滲氮溫度、等離子體密度、氮氣氣壓的增加,均會促進(jìn)氮的擴(kuò)散;磨損率較未處理M50鋼降低75%以上,磨損機(jī)制主要為氧化磨損與粘著磨損,粗糙度改變極小最高增加至0.04μm。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG156.82
【部分圖文】：

（濺射與沉積理論）：很早前就有人發(fā)離子，在電場作用下可獲得巨大的能量集到的急冷濺射產(chǎn)物氮含量分析結(jié)果認(rèn)為在對工件進(jìn)行離子滲氮時，工件作內(nèi)的含氮氣體在陰陽極之間的高電壓差的陰極吸引正離子，使之加速成為高能表面進(jìn)行轟擊，轟擊的能量損失一是轉(zhuǎn)化為其動能，三是對陰極產(chǎn)生濺射打出合成為鐵氮化合物 FeN，同時由于背散擴(kuò)散與離子轟擊的作用下，F(xiàn)eN 受熱按解，產(chǎn)生的氮濃度梯度促使絕大部分的離子轟擊濺射出的鐵原子重新結(jié)合形時間較早，但是以很多實驗基礎(chǔ)與事實

壓或懸浮無電壓的試樣進(jìn)行等離子體滲氮。射頻等離子體源的優(yōu)點在于其單，不需要射頻中和器、空心陰極、燈絲等電子中和器就可以直接產(chǎn)生的等束，維護(hù)成本和對環(huán)境的污染很低，一般適合于在反應(yīng)氣氛下長時間連續(xù)的且產(chǎn)生的等離子體束密度高，能量取決于反應(yīng)氣體的氣壓和射頻的功率，在圍內(nèi)可調(diào)。非常適用于離子刻蝕、輔助沉積薄膜或涂層、離子濺射等方面的應(yīng)在這種滲氮方式中，依靠射頻天線產(chǎn)生等離子體，試樣本身不用再施加高，可以有效地降低滲氮后試樣表面粗糙度的增加量，減少試樣的邊緣效應(yīng)與弧現(xiàn)象，工藝過程穩(wěn)定；并且可以在相對較低的真空度下進(jìn)行滲氮，減少了，試樣被含氮的等離子體所包圍，節(jié)省能源的同時提高了能量的利用率。Keddam M 使用電源功率為 700W、射頻頻率為 13.56MHz 的射頻天線，為 500℃、60%N2與 40%H2的混合氣體中、對 XC38 碳鋼滲氮 16 個小時， 4-6.5μm 厚的化合物層，如圖 1-2，通過 XRD 分析結(jié)果可知其為單一的 γ′-F，通過 GDOS 可知表面化合物層的氮濃度為 6 wt%，氮含量百分比的升高 ε-Fe2-3N 相的形成趨勢[36]。

促使氮向試樣內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，從而達(dá)到滲氮的效果�；钚云岭x子滲氮技術(shù)很有效的解決了傳統(tǒng)離子滲氮技術(shù)中存在的如同空心效應(yīng)、邊緣打弧效應(yīng)、電場效應(yīng)、工件溫度測量困難、對操作人員的技術(shù)水平高等問題，伴隨著活性屏離子滲氮技術(shù)走向工業(yè)化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有效的縮短了周期，節(jié)省能源的同時提高了能量的利用率，可實現(xiàn)手動或全自動操作，而且以通入其他混合物氣體，形成碳氮化物層、硫氮淬硬滲層、氮氧碳化合物層等滲層。C.X.Li和T.Bell對溫度500℃的AISI316不銹鋼進(jìn)行活性屏離子滲氮20小時到了 75μm 厚的均勻滲氮層，滲氮層的表面為單一 γ′-Fe4N 相組成的化合物層經(jīng)過滲氮的 316 不銹鋼在進(jìn)行摩擦磨損實驗時，磨損機(jī)制主要為粘著磨損，力強(qiáng)，塑性變形大；經(jīng)過滲氮的不銹鋼磨損機(jī)制主要為氧化磨損，磨損程度低圖 1-3 所示，通過載荷為 10N、轉(zhuǎn)速為 0.031m/s、對磨球直徑為 8mm WC 球擦磨損實驗對比，未經(jīng)過滲氮的不銹鋼磨痕寬度為 1mm，磨損率為 3.94×mm3/m；經(jīng)過活性屏離子滲氮后的不銹鋼磨痕寬度為 0.25mm，磨損率為 2.54×mm3/m，比未處理的鋼降低 2 個數(shù)量級，耐磨能力得到提升[37]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2862857