乙醇在空气/乙醇离子氮碳氧多元共渗中的作用

第29卷第4期热处理技术与装备Vol. 29. No 42008年8月RECHULI JISHU YU ZHUANGBET·实验研究乙醇在空气/乙醇离子氮碳氧多元共渗中的作用刘林飞,周上祺,黄玉堂,任勤(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030摘要:研究了40Cr钢在空气/乙醇离子氮碳氧多元共渗过程中乙醇对化合物层厚度的影响。利用扫描电镜、K射线衍射仪和显微硬度计对化合物层的微观组织结构和显微硬度进行了分析。试验结果表明:在空气/乙醇离子氮碳氧多元共渗中,随着乙醇流量的增加,化合层厚度先增加再减少,最表面硬度先增加再减少,过量的碳抑制ε相的生成。关键词:离子氮碳氧多元共渗;空气;乙醇中图分类号:TG156.8文献标识码:A文章编号: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离子氮碳共渗又称离子软氮化,是从盐浴和气目前,我们已经探索出了一种较为简便,工厂乐体软氮化发展起来的,是目前工业上应用很广的热于接受的离子氮碳氧共渗工艺◇。为了再进一步优处理工艺。离子氮碳共渗具有耗能低速度快、渗化工艺改进添加剂,进行了空气/乙醇离子氮碳氧层耐磨、耐腐蚀等许多优点2,。近几年国内外出现多元共渗处理的试验。本文利用直流辉光放电在的离子氮碳共渗处理+后氧化处理技术是在离子氮40Cr钢表面进行了空气添加乙醇挥发气离子氮碳氧碳共渗的基础上再进行氧化处理,使处理后的工件多元共渗试验,优化工艺过程及测定不同比例的空表面不仅具有高的硬度和耐磨性,而且还具有优良气和乙醇挥发气的混合气源与渗层组织结构以及性的耐蚀性能其耐蚀性能可以和镀硬铬相媲美43。能之间的关系。用X射线衍射仪、扫描电镜和显微收稿日期:2007-10-27中国煤化工作者简介:刘林飞(1979-),女,博士生,主要从事材料表面工程的研究CNMHG联系电话:13594147915;E-mil;hljlishengji@yhoo.com.cn基金项目:重庆大学研究生科技创新基金(Na20001Y1A0160202)热处理技术与装备第29卷硬度计分析了离子氮碳氧多元共渗后的40Cr钢试型显微硬度计上进行,载荷200g,加载时间15s,距样的组织结构和性能。离表面0.05mm处开始测值读数,测值间距为0.05mm,一直测到硬度变化趋于平缓为止。1试验材料及方法试验材料为40Cr钢,化学成分(质量分数,%)2试验结果为:0.41C,1,ooCr,0.61Mn,0.014P,0.20s,0.20si。2.1共渗层的扫描电镜分析试样尺寸为d25mmx10mm,预处理工艺为调质处图1是试样2-4号的扫描电镜分析结果,号理:在850℃保温Ih后油淬,然后在550℃回火试样没有明显的渗层。从图1可见:23和4号试样2h,调质后试样的显微硬度为270HV0.2。预处理有明显致密的白亮层,白亮层与扩散层有非常明显目的是为了得到均匀的回火索氏体,为离子氮碳氧的界面渗层和基体结合良好,没有裂纹。2号试样多元共渗作组织准备。的化合物层厚度约20μm,3号试样的化合物厚度增对40Cr钢在直流辉光离子渗氮炉中进行离子加约25μm,而4号试样的白亮层的厚度不足氮碳氧多元共渗处理,其工艺参数见表1。在处理3μm。且从图中清晰可见化合物层,其晶粒沿着垂前,试样先用1200号SiC砂纸磨光,然后用汽油清洗直于表面的方向伸长,即沿着扩散方向伸长,呈柱状干净以去除表面油污。晶特性。由此可见,随着乙醇流量比率增大,化合物层厚度先增加再减少。表1离子氮碳氧多元共渗工艺参数2.2共渗层的显微硬度分布Table I The process parameters of the various plasma试样的显微硬度测试结果见图2。由图可见,随N-C-0 penetratin着乙醇流量比率的增加,最表面硬度先增加再减少,试样号空气流量乙醇流量my电压w温度℃时间/h2号试样的表面硬度最高;渗层深度先增加再减少,与扫描电镜的结果是一致的。55552.3共渗层的相组成图3为空气乙醇离子氮碳氧多元共渗处理后试样的X射线衍射结果。由图可见,经空气/乙醇离将处理后的试样制成金相样品,在 OLYMPUS.子氮碳氧共渗处理后,物相由Pe2N、FeN、Fe3C和PMG3金相显微镜上进行渗层显微组织观察和拍照。Fe2O4组成。随着乙醇流量的增大物相中的氮组分用D/mx1200型全自动x射线衍射仪(Cu靶)对渗增多氧组分减少。在本试验中当乙醇为最大流量层进行物相分析。共渗层显微硬度测定在HV00时,出现碳化铁。中国煤化工p图12号试样(a)3号试样(b)和4号试样(c)离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期刘林飞等:乙醇在空气/乙醇离子氮碳氧多元共渗中的作用213分析讨论由上述试验结果可知:40Cr钢经空气/乙醇离子氮碳氧多元共渗后,得到和传统的离子渗氮一样的金相组织,由白亮层,扩散层和基体组成利用空气和乙醇挥发气进行离子氮碳氧共渗,方面通过空气中的氮气和氧气分子被电场激发电离产生正离子碰撞中性离子而离解出活性氮原子300和氧原子;另一方面乙醇分子被激发离解而与中性000.1020.3040.50.60.708粒子发生非弹性碰撞。由于乙醇的电离能为10.49离表面距离/mmev比氮气(15.57eV)和氧气(12.06eV)分子的电图2离子氮碳氧多元共渗处理后试样的显微硬度曲线离能低,因此,在利用空气与乙醇挥发气混合气Fig 2 Hardness profiles of the plasma N-C-0 penetrated samples的等离子辉光放电中,首先是乙醇的激发离解,以及--FeN60Fe N2550图31号试样(a)2号试样(b)3号试样(e)和4号试样(d)的X射线術射图Fig 3 XRD pattems of sample No. 1(a), sample No. 2(b), sample No. 3(e), and sample No, 4(d)乙醇和氧气的重整反应,然后才是氮气分子的激发挥发气分子变为激发态离解。C2H5OH+e°→C2H3OH+ei3.1乙醇的激发离解其中C2H3OH为分子处于低能级时的稳定态,电子从电场中能获得足够的能量将乙醇激发、C2HQOH·为分子处于高能级时的激发态。由于激发电离分解,同时也伴随着高能电子与乙醇分子发生态-州V凵中国煤化工很快回到低能级非弹性有效碰撞时的反应。的稳CNMH(放能量。首先,当基态乙醇挥发气分子吸收的能量大于C2H3OH→C2H5OH+hv激发能时,其外层电子由低能级跃迁到高能级,乙醇(2)另一方面,亚稳态离子与高能电子碰撞发生电2热处理技术与装备第29卷离C2H3OH+e→C2H3OH'+2e般而言,亚稳态电离比基态电离所需能量要般而言,亚稳态电离比基态电离所需能量要小得多气体放电中虽然亚稳态密度比基态要小,但小得多,气体放电中虽然亚稳态密度比基态要小,但亚稳态电离却多一些。亚稳态电离却多一些。基态的氧气分子吸收的能量达到12eV以上基态乙醇分子的离解主要取决于在电场中所吸时,发生离解发应,生成活性氧原子:收的能量大小。当基态乙醇分子吸收的能量大于其O2+e→0·+0电离能时,其中的一个或几个外层电子就会摆脱原由以上分析可以看出,当乙醇流量比率低时,子核的束缚变为自由电子,基态乙醇分子则会发生方面不能消耗完空气中的氧气,另一方面不能生成式(4-6)所示的离解发应,生成氢气和活性碳原子。很多的氢气和氢离子,进而也就会使生成的活性氮C2H5OH-→+H2+CH3CHO(4)原子减少所以会没有明显的效果最表层的物相主C2H5OH→H2+CO+CH(5)要是Fe3O4,正如实验中的试样1。当乙醇流量增加C2H5 H,+CO+c(6)时既能消耗空气中的氧气,又能生成大量的氢气和3.2乙醇的氧化重整氢离子,足以使氮气离解生成活性氮原子,共渗效果乙醇也会和空气中的氧气发生重整反应,如式就会比较明显。乙醇流量越大渗层越深。但是,乙(7)和式(8)醇流量过大,就会产生过量的活性碳原子,吸附并生成碳化铁,阻碍渗层的增厚,这些与实验是一致的,CH, CH,OH +02+3H2+ 2Co(7)正如试样2~4的扫描电镜形貌和X射线衍射分析CHCH2OH+。O2-+3H2+2002结果所示。适量氧气可以提高氢气的选择性,降低别的产4结论物的生成提供乙醇挥发气重整所需要的能量。但(1)40Cr钢经空气/乙醇离子氮碳氧共渗工艺是氧气过量也会降低氢气的平衡组成,因为氢气会后,渗层的金相组织和传统离子渗氮相似由白亮被氧化成水,导致氢气选择性下降。层,扩散层和基体组成33氮气的激发离解(2)随着乙醇流量比的增加,化合物层的厚度先由于乙醇挥发气分子的激发离解会产生氢气和增加再减少氢离子。所以空气和乙醇挥发气等离子产生活性氮(3)随着乙醇流量比的增加,表面硬度先增加再原子的过程不但存在氮气分子自身的激发离解,而减少。且还存在乙醇挥发气分子离解所产生的氢气分子和(4)共渗层的物相由Fe3N、Fe4N、Fe3C和Fe2O4氢气分子离子以及氢离子与中性氮分子的非弹性碰组成。随着乙醇流量的增大,物相中的氮组分增多,撞氧组分减少在本试验中当乙醇为最大流量时,出现3.4氧气的激发离解碳化铁。首先当基态氧气分子吸收的能量大于激发能(5)乙醇能够裂解及氧化重整而生成氢气和氢时其外层电子由低能级跃迁到高能级氧气分子变离子,能促进生成活性氮原子,进而促进N的渗入和为激发态。降低氧的分压。O2+e-→0+e其中O2为分子处于低能级时的稳定态,O2为考文献分子处于高能级时的激发态。由于激发态一般不稳[1]云腾周上祺等.纯氮离子渗氮工艺及机理研究[定,一方面O2会很快回到低能级的稳定态,并以辐金属热处理2003,28(4):68-72射出光子的形式释放能量。[2]火复合处理工艺研究中国煤化工78(10)[3]CNMHG共渗中的作用[J].真另一方面,亚稳态离子与高能电子碰撞发生电空,2004,41(1):13-15(下转第26页热处理技术与装备第29卷有显著的效果,这一保护措施在生产中被有效利用上层齿圈内外侧流速较均匀,内外圈的流速差不大;也证明了这一点。下层工件周围的介质流速不均匀,易于产生畸变比较图中保护板与齿圈和齿圈间介质流动的情(2)工件串的底部添加一个保护板能有效减少况可知齿圈间的介质流动呈倒8分布,间隔越大,最下层齿圈外齿面的畸变量。介质的流动越好齿圈周围的流速更均匀,但间隔太(3)齿圈淬火时为了减少损失,应把易畸变或精大会影响装炉量所以叠放的疏密程度要适中。度要求高的齿圈放在工件串的中上层,且齿圈叠放的疏密程度要适中。3结论本文依据生产上用的淬火油槽的尺寸建立了三参考文献维模型用专用淬火油的实际数据,对淬火槽加载大[1]N.N. kavskii and R.R. zelokhovtseva, Optimum coolie型齿圈淬火时的介质流速场进行了模拟计算,用软during the quenching of steel[ J] Izv. V.U.Z.chemaya件 FLUENT的后处理功能直观地显示了槽内介质的Metall,1982,3:l11-113流速场分布情况。从分析模拟结果得到如下结论[2]程里程方大型渗碳齿轮圈热处理畸变与控制[J]金属热处理,2005,30(3):88-90(1)齿圈叠放在吊具上进行淬火时,工件串的中(上接第15页)由于单畴粒子和多畴粒子相比不存在磁畴壁,参考文蘇它的磁化和退磁过程都是磁化矢量的转动,这样的[1]罗锡裕放电等离子烧结材料的最新进展[冂.粉末冶过程能产生较高的矫顽力),因此放电等离子烧结金工业,2001,11(6):7-16.技术有制备高矫顽力NdFe-B磁体的潜力值得进[2]高濂官本大树.放电等离子烧结技术[].无机材料学报,1997,12(2):129-133步研究。[3〕冯海波周玉,贾德昌.放电等离子烧结技术的原理及应用[J].材料科学与工艺,2003,11(13)327-3413结论[4]周寿增,董清飞著.超强永磁体-稀土铁系永磁材料(1)放电等离子烧结 Nd-Fe-B磁体的初期,样品第2版)[M].冶金工业出版社收缩量随温度升高是线性的,当温度达到470℃,变[5] Ming Yue, Jiuxing Zhang et a. Microstructure and mag-为指数形式急剧增大。在固定烧结温度下随着保温netic properties of isotropic bulk Nd, Feg-, B, (x=6, 8,10)nanocomposite magnets prepared by spark plasma sin-时间延长,样品收缩量也是线性增加。提高烧结温tering[ J]. J Appl. Phys. 2006, 99(08): B502度、增加保温时间、增大压力及提高真空度都可以提[6]H.Omo,r.Teyu, N. Waki et al. Properties of a-Fe/高磁体的密度。Nd, Fe, B-Type Nd-Fe-Co-V-B System Bulk Exchange(2)和传统粉末烧结法相比放电等离子烧结的Spring Magnets Prepared by Spark Plasma Sintering[JNd-Fe-B磁体晶粒细小且均匀,平均尺寸38m,为(7]姜寿亭,李卫编著,凝聚态磁性物理[M]科学出版社一般传统粉末烧结法的1/4。(上接第22页)[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]孙定国,赵程等离子氮碳氧复合渗对45钢耐磨性的9]世竺田穴和屿油进行离子氮碳氧多元影响[].青岛科技大学学报00,24(6):525-5127中国煤化工):6-68[7] Mahboubi F, Fattah M. Duplex treatment of plasma nitri. [10]CNMHG津大学出版社,1997:ding and plasma oxidation of plain carbon steel[J]. Vacu-32