表面纳米化钢的气体渗氮工艺

表面纳米化钢的气体渗氮工艺摘要:对表面纳米化钢的气体渗氮的行为进行研究。低碳钢片的一面通过超声波喷丸的 方法进行表面纳米化，另一面保持了原始粗粒度的条件。气体渗氮随后可在三种不同 的温度下进行：460C、500C和560C。对化合层的生长和扩散行为进行了研究。据透 露，SNC的预处理大大提高了扩散系数D和表面反应速率。因此，渗氮时间可以减少 到一半。同时还发现，渗氮的SNCed样本的化合层生长与渗氮时间符合抛物线关系。关键词：渗氮工艺，超声波喷丸，表面纳米化（SNC）1介绍表面纳米化（SNC）可以通过使用超声喷丸加工1-3。它不仅可以改变性能，也可以 改变样品表面结构。当SNGed样品表面化学处理后，有缺陷的大体积分数晶界将作 为间隙原子扩散有利的通道。因此，SNC预处理可能是一个有前途的有效改善化学 处理效率的方法。另一方面，对SNCed样品化学处理特点的调查将有助于更好地理 解纳米晶体材料的扩散行为。在这一过程中的低碳钢盘一侧表面SNCed气体渗氮预处理。对氮化物生长和相 应的扩散行为进行了仔细地研究。2.实验使用直径20x2.9mm的碳含量0.2%的低碳钢切成片状。在钢片经过超声波喷丸 处理的那一面植被纳米层。使用直径为2毫米的不锈钢球。喷丸操作时间为450秒。通过透射电子显微镜确定纳米层的平均晶粒尺寸约为10nm。该层的厚度约为 10pm。一层严重的塑性变形在表层下被发现（距离表面10-30ym）并且颗粒尺寸约为 150nm。在原始区域和严重塑性变形区域之间存在一个没有晶粒尺寸变化的过渡区， 但塑性变形区域有经历尺寸变化。详情请参阅参考文献4。关于SNC程序的相关内 容已经发表于论文1-3。钢片没有进行SNCed预处理的一面保持晶粒尺寸10-15ym 不变。这些钢片被用作气体渗氮试样。试样在纯氨气介质中，于460C，500C和560C 分别保温0.5, 3, 6, 9, 15和18小时。然后把氮化试样进行油淬。使用金相显微镜测 量化合层厚度。渗氮层通过X射线衍射进行分析。3结果与讨论3.1对氮化物生长速率的影响Y层氮化物的厚度和氮化试样上表层的相的列于表1。化合层厚度和氮化处理时 间的关系表现为图1，其中分别对应氮化温度460C，500C和560C。结果表明， 经过表面纳米化处理的一面氮化层的增厚速率比未经处理的那面的增厚速率大。氮化 温度为460C，保温18h后在经过表面纳米化处理的一面很明显地形成约5pm厚的化合 层，然而，在未经处理的表面上只形成了 2-2.5pm的化合层（图1（a）。氮化温度为 560如图1（c）所示），只用了3h就在纳米化面获得了厚约7-8pm的化合层。然而，未经纳米化处理的面花费了9-12h才获得在工业应用中需要的化合层厚度（大于6pm）。结 果表明，经超声波喷丸制造的纳米晶粒微观结构促进气体渗氮的过程并且大大节省了 氮化时间。表格1氮化试样的氮化层厚度和外表层的相3.2氮化温度纳米化表面氮化物厚度原始表面相*氮化保温时间/h諭t物厚度相4600.50.25 0.75a(little)+70-6.25q 十/(little)46031.5-2.0et+Y0525a + 了(little)46062-3.2I10-0.5a +46092.8-3.25吋0.25 0.5a(little)+7，7r460154.2-4.S1.82.44601856F2.3 2.6y5000.50.25 1.3a(little)+7z00.2a + 丁(little)50011.8-2.5Q +彳 Y0-0.5a + 7，(little)50032.5-370.9-1.2a + y50064.0-5.0a (little) 4-7*5009406.0*2.0-3.0a (little)+7zY5001554-6,5*2.3Z2500185.05.57*2.5 3.8Y5600.52.252.75a十丁0.51.5 + y56037.0-8.0/72.Q-3.0little)t扩散系数的影响9.510.512.013.0彳4.55.55E7.05601513.7515.78y + &(little)7/歹0抛物线方程1：具有一定的穿透能力，因此上表层下面的相也可能有助于衍射，从而导致岀现a-Fe相的衍射峰。x At 0.5（1）根据实验数据拟合出常量A的值（见图1）。560C的A值由渗氮15h内的数据拟合而出， 因为如果渗氮时间超过15h在表面则会出现相。对于非纳米化表面，这个抛物线函数 不适用于渗氮温度为500C和560C渗氮时间小于9h的绝大多数实验数据。因此，该常 数从18h渗氮的实验数据直接估算，并与渗氮层进行比较。得出结论，SNC预处理可 以明显地提咼渗氮系数A。74 2860123456012345601234567渗氮时间t/10ym/scysc/v时，表面上化合物的形成有利于降低表面自由 能。通过表面纳米化预处理得到纳米晶体，使条件YnM/VYM/V成为可能。结果是， 由表面纳米化预处理产生纳米层，与粗晶粒相比，更有利于表面上的氮化物形成。然而，表面纳米化预处理对试样表面条件的影响非常复杂。晶粒尺寸的不均匀分 布、由表面纳米化预处理引起的表面区域的应变分布、纳米级Fe原子的活性可能变 化、高温渗氮期间纳米晶粒长大以及在塑性变形区域位错恢复都可能对渗氮过程有或 多或少的影响。因此，具体的相关机制和定性分析仍有待进一步研究。5结论总之，表面纳米化预处理可以加快渗氮速度并减少渗氮时间。其次，他可以提高 扩散系数D。第三，超声波喷丸可以有效地促进表面反应速率，并且表面纳米化试样 的整个氮化过程由氮的扩散控制。参考文献：略。