第29卷第4期熱處理技術(shù)與裝備Vol. 29. No 42008年8月RECHULI JISHU YU ZHUANGBET·實驗研究乙醇在空氣/乙醇離子氮碳氧多元共滲中的作用劉林飛,周上祺,黃玉堂,任勤(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400030摘要:研究了40Cr鋼在空氣/乙醇離子氮碳氧多元共滲過程中乙醇對化合物層厚度的影響。利用掃描電鏡、K射線衍射儀和顯微硬度計對化合物層的微觀組織結(jié)構(gòu)和顯微硬度進(jìn)行了分析。試驗結(jié)果表明:在空氣/乙醇離子氮碳氧多元共滲中,隨著乙醇流量的增加,化合層厚度先增加再減少,最表面硬度先增加再減少,過量的碳抑制ε相的生成。關(guān)鍵詞:離子氮碳氧多元共滲;空氣;乙醇中圖分類號:TG156.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:l673-4971(2008)04-0019-04Effects of Ethanol on Plasma N-C-O Multi-elements Penetratingwith Air and Ethanol. U Lin-fei, ZHOU Shang-qi, HUANG Yu-tang, rEN QinCollege of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)Abstract The effects of ethanol on the thickness of compound layer in plasma N-C-0 multi-element pene-trating process with air and ethanol were studied by scanning electron microscope( SEM). At the sametime, the microstructure, surface hardness and phase composition of the layer were analyzed by scanningelectron microscope (SEM), microhardness tester, and X-ray diffractometer(XRD ) The experimenresults show that in plasma N-C-0 multi-element penetrating process, the thickness of the compound land microhardness of the supper layer exhibit a maximum with the increment of ratio of ethanol to aircarbon in atmosphere decrease the compound layer thicknessKey words: plasma N-C-0 multi-element penetrating; air; ethanol離子氮碳共滲又稱離子軟氮化,是從鹽浴和氣目前,我們已經(jīng)探索出了一種較為簡便,工廠樂體軟氮化發(fā)展起來的,是目前工業(yè)上應(yīng)用很廣的熱于接受的離子氮碳氧共滲工藝◇。為了再進(jìn)一步優(yōu)處理工藝。離子氮碳共滲具有耗能低速度快、滲化工藝改進(jìn)添加劑,進(jìn)行了空氣/乙醇離子氮碳氧層耐磨、耐腐蝕等許多優(yōu)點2,。近幾年國內(nèi)外出現(xiàn)多元共滲處理的試驗。本文利用直流輝光放電在的離子氮碳共滲處理+后氧化處理技術(shù)是在離子氮40Cr鋼表面進(jìn)行了空氣添加乙醇揮發(fā)氣離子氮碳氧碳共滲的基礎(chǔ)上再進(jìn)行氧化處理,使處理后的工件多元共滲試驗,優(yōu)化工藝過程及測定不同比例的空表面不僅具有高的硬度和耐磨性,而且還具有優(yōu)良?xì)夂鸵掖紦]發(fā)氣的混合氣源與滲層組織結(jié)構(gòu)以及性的耐蝕性能其耐蝕性能可以和鍍硬鉻相媲美43。能之間的關(guān)系。用X射線衍射儀、掃描電鏡和顯微收稿日期:2007-10-27中國煤化工作者簡介:劉林飛(1979-),女,博士生,主要從事材料表面工程的研究CNMHG聯(lián)系電話:13594147915;E-mil;hljlishengji@yhoo.com.cn基金項目:重慶大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金(Na20001Y1A0160202)熱處理技術(shù)與裝備第29卷硬度計分析了離子氮碳氧多元共滲后的40Cr鋼試型顯微硬度計上進(jìn)行,載荷200g,加載時間15s,距樣的組織結(jié)構(gòu)和性能。離表面0.05mm處開始測值讀數(shù),測值間距為0.05mm,一直測到硬度變化趨于平緩為止。1試驗材料及方法試驗材料為40Cr鋼,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)2試驗結(jié)果為:0.41C,1,ooCr,0.61Mn,0.014P,0.20s,0.20si。2.1共滲層的掃描電鏡分析試樣尺寸為d25mmx10mm,預(yù)處理工藝為調(diào)質(zhì)處圖1是試樣2-4號的掃描電鏡分析結(jié)果,號理:在850℃保溫Ih后油淬,然后在550℃回火試樣沒有明顯的滲層。從圖1可見:23和4號試樣2h,調(diào)質(zhì)后試樣的顯微硬度為270HV0.2。預(yù)處理有明顯致密的白亮層,白亮層與擴(kuò)散層有非常明顯目的是為了得到均勻的回火索氏體,為離子氮碳氧的界面滲層和基體結(jié)合良好,沒有裂紋。2號試樣多元共滲作組織準(zhǔn)備。的化合物層厚度約20μm,3號試樣的化合物厚度增對40Cr鋼在直流輝光離子滲氮爐中進(jìn)行離子加約25μm,而4號試樣的白亮層的厚度不足氮碳氧多元共滲處理,其工藝參數(shù)見表1。在處理3μm。且從圖中清晰可見化合物層,其晶粒沿著垂前,試樣先用1200號SiC砂紙磨光,然后用汽油清洗直于表面的方向伸長,即沿著擴(kuò)散方向伸長,呈柱狀干凈以去除表面油污。晶特性。由此可見,隨著乙醇流量比率增大,化合物層厚度先增加再減少。表1離子氮碳氧多元共滲工藝參數(shù)2.2共滲層的顯微硬度分布Table I The process parameters of the various plasma試樣的顯微硬度測試結(jié)果見圖2。由圖可見,隨N-C-0 penetratin著乙醇流量比率的增加,最表面硬度先增加再減少,試樣號空氣流量乙醇流量my電壓w溫度℃時間/h2號試樣的表面硬度最高;滲層深度先增加再減少,與掃描電鏡的結(jié)果是一致的。55552.3共滲層的相組成圖3為空氣乙醇離子氮碳氧多元共滲處理后試樣的X射線衍射結(jié)果。由圖可見,經(jīng)空氣/乙醇離將處理后的試樣制成金相樣品,在 OLYMPUS.子氮碳氧共滲處理后,物相由Pe2N、FeN、Fe3C和PMG3金相顯微鏡上進(jìn)行滲層顯微組織觀察和拍照。Fe2O4組成。隨著乙醇流量的增大物相中的氮組分用D/mx1200型全自動x射線衍射儀(Cu靶)對滲增多氧組分減少。在本試驗中當(dāng)乙醇為最大流量層進(jìn)行物相分析。共滲層顯微硬度測定在HV00時,出現(xiàn)碳化鐵。中國煤化工p圖12號試樣(a)3號試樣(b)和4號試樣(c)離CNMHGFig 1 SEM micrograph of plasma N-C-0 penetrated sample No. 2(a), sample No. 3(b)and sample No 4(c)第4期劉林飛等:乙醇在空氣/乙醇離子氮碳氧多元共滲中的作用213分析討論由上述試驗結(jié)果可知:40Cr鋼經(jīng)空氣/乙醇離子氮碳氧多元共滲后,得到和傳統(tǒng)的離子滲氮一樣的金相組織,由白亮層,擴(kuò)散層和基體組成利用空氣和乙醇揮發(fā)氣進(jìn)行離子氮碳氧共滲,方面通過空氣中的氮氣和氧氣分子被電場激發(fā)電離產(chǎn)生正離子碰撞中性離子而離解出活性氮原子300和氧原子;另一方面乙醇分子被激發(fā)離解而與中性000.1020.3040.50.60.708粒子發(fā)生非彈性碰撞。由于乙醇的電離能為10.49離表面距離/mmev比氮氣(15.57eV)和氧氣(12.06eV)分子的電圖2離子氮碳氧多元共滲處理后試樣的顯微硬度曲線離能低,因此,在利用空氣與乙醇揮發(fā)氣混合氣Fig 2 Hardness profiles of the plasma N-C-0 penetrated samples的等離子輝光放電中,首先是乙醇的激發(fā)離解,以及--FeN60Fe N2550圖31號試樣(a)2號試樣(b)3號試樣(e)和4號試樣(d)的X射線術(shù)射圖Fig 3 XRD pattems of sample No. 1(a), sample No. 2(b), sample No. 3(e), and sample No, 4(d)乙醇和氧氣的重整反應(yīng),然后才是氮氣分子的激發(fā)揮發(fā)氣分子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)離解。C2H5OH+e°→C2H3OH+ei3.1乙醇的激發(fā)離解其中C2H3OH為分子處于低能級時的穩(wěn)定態(tài),電子從電場中能獲得足夠的能量將乙醇激發(fā)、C2HQOH·為分子處于高能級時的激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)電離分解,同時也伴隨著高能電子與乙醇分子發(fā)生態(tài)-州V凵中國煤化工很快回到低能級非彈性有效碰撞時的反應(yīng)。的穩(wěn)CNMH(放能量。首先,當(dāng)基態(tài)乙醇揮發(fā)氣分子吸收的能量大于C2H3OH→C2H5OH+hv激發(fā)能時,其外層電子由低能級躍遷到高能級,乙醇(2)另一方面,亞穩(wěn)態(tài)離子與高能電子碰撞發(fā)生電2熱處理技術(shù)與裝備第29卷離C2H3OH+e→C2H3OH'+2e般而言,亞穩(wěn)態(tài)電離比基態(tài)電離所需能量要般而言,亞穩(wěn)態(tài)電離比基態(tài)電離所需能量要小得多氣體放電中雖然亞穩(wěn)態(tài)密度比基態(tài)要小,但小得多,氣體放電中雖然亞穩(wěn)態(tài)密度比基態(tài)要小,但亞穩(wěn)態(tài)電離卻多一些。亞穩(wěn)態(tài)電離卻多一些?；鶓B(tài)的氧氣分子吸收的能量達(dá)到12eV以上基態(tài)乙醇分子的離解主要取決于在電場中所吸時,發(fā)生離解發(fā)應(yīng),生成活性氧原子:收的能量大小。當(dāng)基態(tài)乙醇分子吸收的能量大于其O2+e→0·+0電離能時,其中的一個或幾個外層電子就會擺脫原由以上分析可以看出,當(dāng)乙醇流量比率低時,子核的束縛變?yōu)樽杂呻娮?基態(tài)乙醇分子則會發(fā)生方面不能消耗完空氣中的氧氣,另一方面不能生成式(4-6)所示的離解發(fā)應(yīng),生成氫氣和活性碳原子。很多的氫氣和氫離子,進(jìn)而也就會使生成的活性氮C2H5OH-→+H2+CH3CHO(4)原子減少所以會沒有明顯的效果最表層的物相主C2H5OH→H2+CO+CH(5)要是Fe3O4,正如實驗中的試樣1。當(dāng)乙醇流量增加C2H5 H,+CO+c(6)時既能消耗空氣中的氧氣,又能生成大量的氫氣和3.2乙醇的氧化重整氫離子,足以使氮氣離解生成活性氮原子,共滲效果乙醇也會和空氣中的氧氣發(fā)生重整反應(yīng),如式就會比較明顯。乙醇流量越大滲層越深。但是,乙(7)和式(8)醇流量過大,就會產(chǎn)生過量的活性碳原子,吸附并生成碳化鐵,阻礙滲層的增厚,這些與實驗是一致的,CH, CH,OH +02+3H2+ 2Co(7)正如試樣2~4的掃描電鏡形貌和X射線衍射分析CHCH2OH+。O2-+3H2+2002結(jié)果所示。適量氧氣可以提高氫氣的選擇性,降低別的產(chǎn)4結(jié)論物的生成提供乙醇揮發(fā)氣重整所需要的能量。但(1)40Cr鋼經(jīng)空氣/乙醇離子氮碳氧共滲工藝是氧氣過量也會降低氫氣的平衡組成,因為氫氣會后,滲層的金相組織和傳統(tǒng)離子滲氮相似由白亮被氧化成水,導(dǎo)致氫氣選擇性下降。層,擴(kuò)散層和基體組成33氮氣的激發(fā)離解(2)隨著乙醇流量比的增加,化合物層的厚度先由于乙醇揮發(fā)氣分子的激發(fā)離解會產(chǎn)生氫氣和增加再減少氫離子。所以空氣和乙醇揮發(fā)氣等離子產(chǎn)生活性氮(3)隨著乙醇流量比的增加,表面硬度先增加再原子的過程不但存在氮氣分子自身的激發(fā)離解,而減少。且還存在乙醇揮發(fā)氣分子離解所產(chǎn)生的氫氣分子和(4)共滲層的物相由Fe3N、Fe4N、Fe3C和Fe2O4氫氣分子離子以及氫離子與中性氮分子的非彈性碰組成。隨著乙醇流量的增大,物相中的氮組分增多,撞氧組分減少在本試驗中當(dāng)乙醇為最大流量時,出現(xiàn)3.4氧氣的激發(fā)離解碳化鐵。首先當(dāng)基態(tài)氧氣分子吸收的能量大于激發(fā)能(5)乙醇能夠裂解及氧化重整而生成氫氣和氫時其外層電子由低能級躍遷到高能級氧氣分子變離子,能促進(jìn)生成活性氮原子,進(jìn)而促進(jìn)N的滲入和為激發(fā)態(tài)。降低氧的分壓。O2+e-→0+e其中O2為分子處于低能級時的穩(wěn)定態(tài),O2為考文獻(xiàn)分子處于高能級時的激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)一般不穩(wěn)[1]云騰周上祺等.純氮離子滲氮工藝及機理研究[定,一方面O2會很快回到低能級的穩(wěn)定態(tài),并以輻金屬熱處理2003,28(4):68-72射出光子的形式釋放能量。[2]火復(fù)合處理工藝研究中國煤化工78(10)[3]CNMHG共滲中的作用[J].真另一方面,亞穩(wěn)態(tài)離子與高能電子碰撞發(fā)生電空,2004,41(1):13-15(下轉(zhuǎn)第26頁熱處理技術(shù)與裝備第29卷有顯著的效果,這一保護(hù)措施在生產(chǎn)中被有效利用上層齒圈內(nèi)外側(cè)流速較均勻,內(nèi)外圈的流速差不大;也證明了這一點。下層工件周圍的介質(zhì)流速不均勻,易于產(chǎn)生畸變比較圖中保護(hù)板與齒圈和齒圈間介質(zhì)流動的情(2)工件串的底部添加一個保護(hù)板能有效減少況可知齒圈間的介質(zhì)流動呈倒8分布,間隔越大,最下層齒圈外齒面的畸變量。介質(zhì)的流動越好齒圈周圍的流速更均勻,但間隔太(3)齒圈淬火時為了減少損失,應(yīng)把易畸變或精大會影響裝爐量所以疊放的疏密程度要適中。度要求高的齒圈放在工件串的中上層,且齒圈疊放的疏密程度要適中。3結(jié)論本文依據(jù)生產(chǎn)上用的淬火油槽的尺寸建立了三參考文獻(xiàn)維模型用專用淬火油的實際數(shù)據(jù),對淬火槽加載大[1]N.N. kavskii and R.R. zelokhovtseva, Optimum coolie型齒圈淬火時的介質(zhì)流速場進(jìn)行了模擬計算,用軟during the quenching of steel[ J] Izv. V.U.Z.chemaya件 FLUENT的后處理功能直觀地顯示了槽內(nèi)介質(zhì)的Metall,1982,3:l11-113流速場分布情況。從分析模擬結(jié)果得到如下結(jié)論[2]程里程方大型滲碳齒輪圈熱處理畸變與控制[J]金屬熱處理,2005,30(3):88-90(1)齒圈疊放在吊具上進(jìn)行淬火時,工件串的中(上接第15頁)由于單疇粒子和多疇粒子相比不存在磁疇壁,參考文蘇它的磁化和退磁過程都是磁化矢量的轉(zhuǎn)動,這樣的[1]羅錫裕放電等離子燒結(jié)材料的最新進(jìn)展[冂.粉末冶過程能產(chǎn)生較高的矯頑力),因此放電等離子燒結(jié)金工業(yè),2001,11(6):7-16.技術(shù)有制備高矯頑力NdFe-B磁體的潛力值得進(jìn)[2]高濂官本大樹.放電等離子燒結(jié)技術(shù)[].無機材料學(xué)報,1997,12(2):129-133步研究。[3〕馮海波周玉,賈德昌.放電等離子燒結(jié)技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工藝,2003,11(13)327-3413結(jié)論[4]周壽增,董清飛著.超強永磁體-稀土鐵系永磁材料(1)放電等離子燒結(jié) Nd-Fe-B磁體的初期,樣品第2版)[M].冶金工業(yè)出版社收縮量隨溫度升高是線性的,當(dāng)溫度達(dá)到470℃,變[5] Ming Yue, Jiuxing Zhang et a. Microstructure and mag-為指數(shù)形式急劇增大。在固定燒結(jié)溫度下隨著保溫netic properties of isotropic bulk Nd, Feg-, B, (x=6, 8,10)nanocomposite magnets prepared by spark plasma sin-時間延長,樣品收縮量也是線性增加。提高燒結(jié)溫tering[ J]. J Appl. Phys. 2006, 99(08): B502度、增加保溫時間、增大壓力及提高真空度都可以提[6]H.Omo,r.Teyu, N. Waki et al. Properties of a-Fe/高磁體的密度。Nd, Fe, B-Type Nd-Fe-Co-V-B System Bulk Exchange(2)和傳統(tǒng)粉末燒結(jié)法相比放電等離子燒結(jié)的Spring Magnets Prepared by Spark Plasma Sintering[JNd-Fe-B磁體晶粒細(xì)小且均勻,平均尺寸38m,為(7]姜壽亭,李衛(wèi)編著,凝聚態(tài)磁性物理[M]科學(xué)出版社一般傳統(tǒng)粉末燒結(jié)法的1/4。(上接第22頁)[4] Ichimura H, Ishii Y, Rodrigo A. Hardness analysis of du-plex coating[J]. Surface and coating technology, 2003, [8] Lee Insup. Post-oxiding treatment of the compound layer169-170:735on the AISI 4135 steel produced by plasma nitrocarburiz-[5]Musil J, Vick J, Ruzicka M. Recent progress in plasmaing[ J]. Surface and coating technology, 2004, 188189:669[6]孫定國,趙程等離子氮碳氧復(fù)合滲對45鋼耐磨性的9]世竺田穴和嶼油進(jìn)行離子氮碳氧多元影響[].青島科技大學(xué)學(xué)報00,24(6):525-5127中國煤化工):6-68[7] Mahboubi F, Fattah M. Duplex treatment of plasma nitri. [10]CNMHG津大學(xué)出版社,1997:ding and plasma oxidation of plain carbon steel[J]. Vacu-32