表面纳米化钢的气体渗氮工艺

1、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、500。和560。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)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

2、，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 解纳米品体材料的扩散行为。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。实验使用直径O20 x2.9mm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

3、面10-30pm)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品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预处理的一面保持品粒尺寸10-15pm 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屋厚度。渗氮层通过X射线衍射进行分析结果与讨论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

4、处理时 间的关系表现为图1，其中(1)(2)(3)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 560C(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品粒微观结构促进气体渗氮的过程并且大大节

5、省了 氮化时间。3.2氮化温度/C3.2氮化温度/C氮化保温时间/h纳米化表面原始表面氯化物厚度相氮化物厚度相，4600.50.25 0.75Q(little)+y0-6.25q+/(little)46031.52.0et+Y0-0.25a 4- 了(littie)46062-3.2V0-0.5a + yf46092.8-3.25V0.25 0.5a(little)+7，7r46015时L2.446018562.3 2.65000.50.25 1.3a(little)+7z00.2a + (little)50011.8-2.5a + Y V0-0.5a + 7，(little)50032.5-

6、370.9-1.2a + 750064.0-5.0V1.0脱a (little) 4-7*50094.06,0y2-03.0a (little)+7zY500155.1-6.5V2.33.2500185.05V2.5 3.8Y5600.52.252.75在+ 20.51.5Ct + Y56037.0-8.0/72.Q-3.0ar( little)+7扩散系数的影响9.510.512.013.0V寸七55.55.0-7.05SQ1513.7515.78/ + g：(little)G.g&G表格1氮化试样的氮化层厚度和外表层的相列抛物线方程1 线具有一定的穿透能力，因此上表层下面的相也可能有助于衲

7、，从而导致出现坤相的衍射峰。x At 0.5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500。和560。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 以明显地提高渗氮系数A。名纳米化处理表面，-原始粗颗粒表面名纳米化处理表面，-原始粗颗粒表面一般情况下，如果化合层与渗氮时间抛物线成比例，则将渗氮视为扩散控制阶段。 常数A表示扩散速率。X射线衍射分析证明了，除了氮化温度为560

8、C且氮化时间超过 15h的渗层外，其他渗层没有相产生。因此，基于以下三个假设为纳米化表面渗氮 工艺建立了一个描述Y相界发展的模型：(1)假设表面吸收N原子过程比向内扩散的速度更快，在上表面氮浓度可迅速达到 Y相饱和浓度(C3)，然后保持很长一段时间不变；（2）由于小的溶解度和氮在a相中的较大的扩散系数，氮的浓度梯度可视为是零的aa相:2( C2( C 3 C 2) DNC 2 - C1 Y0.在Y相中，氮浓度梯度可视为线性关系（普=CtC2由于，氮浓度梯度在矿相中 的微小变化（质量分数5.9-6.1%, 400。随着Y/a界面的发展产生的dt阶级引起的氮总量的变化，由下列公式描述（图2 是小意

9、图）：AN = (C - C )dL = DV,(华)丫 dt - Da(半)dt211 dx dx1L At 2 , A 其中，A是一个关于琴的常数。可以看出，经过纳米化处理的表面的常数A与为纳米 化的表面的系数相比几乎大了一倍。因此可以推断，渗氮加速是由纳米化层的氮原子 的扩散系数增大而引起的。3.3对表面反应速率的影响图1中的一个重要事实必须在这里提及。经表面纳米化预处理的试样从气体渗氮 开始，其化合层按照抛物线函数规则生长。反之，化合层的生长并不是与未经表面纳 米化预处理渗层的渗氮初始阶段的抛物线函数完全相符。例如，一个表示560C氮化 小于6h且500C氮化小于9h的化合层厚度的点，

10、在图1中偏离了抛物线曲线。因此， 结果可能是，表面纳米化预处理在渗氮过程中除了提高氮的扩散系数外还起到另外一 个作用。表面反应和内部扩散是两个重要的步骤并且在在渗氮过程中相互竞争。在渗氮开 始阶段，渗氮层太过狭窄以至于浓度梯度 非常大。此刻，氮从表面向内部移动 的速率比表面氮吸收速率快。渗氮层生长的速率主要受表面反应控制。当氮向内移动的流量小于由表面反应导入的氮流量时，渗氮层的生长速率由氮扩散支配，并且化合 层厚度的变化与渗氮时间符合抛物线函数6。在460C渗氮条件下，在非纳米化表面至少需要6h才会出现化合层，并在随后的 12h中，渗氮过程仍然处于表面反应控制阶段，不符合抛物线规律。然而，对于

11、那些 经过表面纳米化预处理的表面，在三个渗氮温度条件下，化合层的生长从渗氮开始到 出现相都符合抛物线规律。这意味着，表面纳米化预处理不仅提高了氮的扩散系数 也增加了渗氮过程中的表面反应速率。讨论气体渗氮是一种由表面反应和内部扩散控制的化学热处理工艺。表面纳米化预处 理被证明对两个因素都有影响。根据扩散理论，有缺陷的位置，如晶界、子结构界面、位错等等，可以作为间隙 快速扩散的通道。沿着这些通道的扩散所需要的活化能远小于在矩阵晶格中的扩散所 需。表面纳米化预处理可以在试样表面建立一层纳米品体，从而使存在于晶界上原子 的分数可能超过50%，这一分数比粗品材料大得多。此外，表面纳米化试样的下层面 是一

12、个包含大量亚品粒和高密度位错的严重塑性变形区域。因此，氮原子快速扩散的 通道的数量在表面纳米化试样的表面大大增加。品界扩散就是主要的扩散形式。因此， 表面纳米化预处理可以大大提高扩散系数。另一方面，McLean和Hondros7确定了表面反应自由能方程：A Gs J Q ）M /scsc/VM /Vt其中AGb是混合单位体积自由能；ym/sc是金属和混合表面之间的界面能；YSC/V是混 合表面和蒸汽之间的界面能；ym/v是金属与蒸汽之间的界面能；Q是摩尔体积，以及 t是表面化合物厚度。在表面最初的化合物形成阶段，七非常小以至于等式右边的第二部分变得非常大。当ym/vym/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品体，使条件Y m/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。品粒尺寸的不均匀分步研究。布、由表面纳米化