作者:高原 徐重 Ae_:Kc6
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摘 要:介绍了一种在Q235钢表面,利用等离子反应溅射直接复合渗镀合成氮化钛的工艺方法。该 roHJ$~q?
渗镀层是由钢铁材料基体上均匀分布细小氮化钛颗粒的渗层和表面氮化钛沉积层组成。沉积层与渗层之间有一平缓过渡区。渗层与基体是冶金结合,不会产生剥落。渗镀层表面硬度平均达到HV2 300。X射线衍射结果表明,表面为纯氮化钛层,(200)晶面的衍射峰最强,具有明显的择优取向。用划痕仪进行结合强度检测,声发射曲线未见突起的信号峰值,表明结合强度好。复合渗镀氮化钛试样在1o 硫酸、5 盐酸、3.5 9/6氯化钠水溶液和硫化氢富液中进行腐蚀试验。耐腐蚀性能分别比改性前提高了789,26,3.3,67倍。 H.*aVb$
关键词:氮化钛;腐蚀性;渗镀层;等离子体;固溶体;扩散层 XywsjeI4
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氮化钛以其优异的力学性能和化学性能,在工业上得到广泛的应用n],成为目前解决耐腐蚀问题的有效方法。本文首先提出了一种新的等离子复合渗镀合成氮化钛的方法[ ,该工艺方法形成的氮化钛组织是钛固溶体扩散层上均匀分布氮化钛颗粒和表面氮化钛沉积层,表面氮化钛沉积层与基体为冶金结合,结合强度高,不会产生剥落且致密。将等离子复合渗镀合成氮化钛试样与未经处理的Q235钢试样进行耐腐性能比较。结果表明,前者较后者提高耐腐蚀性能数倍至数百倍。 Y3?)*kz%
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1 复合渗镀氮化钛工艺 L_Lhmtm}m
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1.1 工艺试验 -~WDv[[
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1.1.1 试验条件 p{oc}dWin
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试样材料:Q235钢,尺寸:15 mm×15 mm×5mm,表面经过磨削加工。 V~"-\@
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钛供给源:用 5 mm×30 mm 的Ti丝,置于尺寸为080 mm×50 mm×5 mm 桶形圆周上。丝的间隔上下左右lO~ 15 mm。试样置于桶形阴极的中间,与丝状源极的尖端间距约5~15 mm。 %>!$eCX
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1.1.2 试验方法 @"O|[%7e
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利用辉光放电溅射原理、等电位阴极溅射方法、针状钛丝的尖端放电效应、钛丝之间以及钛丝与试样之间的空心阴极现象 l,将钛以离子、原子和粒子团的形式溅射出来。首先在试样表面渗入合金元素钛,形成钛合金扩散层。渗钛保温结束后,紧接着在先期仅有工作气体氩气的基础上,通人一定量的氮气,与氩气保持一定的混合比。进行渗氮和氮化钛的复合渗镀过程。一部分氮原子参与表面氮化钛的形成和沉积过程,一部分渗入到表层的钛合金化层中形成含有第二相氮化钛颗粒和含钛固溶体的扩散层中。 =.ReM_.
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1.1.3 工艺参数 #(G"ya
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极限真空度:3.0×10_。Pa;渗Ti与复合渗镀 5 =Op%
工作真空度:3o~35 Pa;试样电压:300~500 V; .r\|9 *j<
试样电流:l_5~3 A;工作气体:前期为Ar,后期复合渗镀采用Ar和N; ZFNg+H/k
渗Ti时间:3 h,复合渗镀氮化钛时问:2 h; 9oTtH7%
渗钛温度与复合渗镀温度为:850℃ ,920℃ ,1020 ℃ 。 :fA|J!^b[
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1.1.4 分析仪器 JXF0}T)C
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用GDA750型辉光放电光谱分析仪测定试样 _DLELcH
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复合渗镀层成分;用LEC 图像分析仪和NEW—PH0TER一21型卧式显微镜观察分析渗镀层厚度、金相组织和表面形貌;用日本JEOI /JSM一5610I V扫描电镜,德国Bruker—aXS D8进行微观组织和渗层物相测定(Cu靶,40 kV,lOO mA);用M一400一H1显微硬度计检测表面硬度;采用PS—l68A 型电化学测量系统进行电化学腐蚀性能试验。用WS一97型声发射信号划痕仪进行结合强度检测。 s%i
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1.2 试验结果与分析 f:KZP;/[c
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图1表示了渗钛的金相组织,由图可见。渗钛层与基体有一分界线。渗层组织为柱状晶,垂直由表面向内生长,基体组织是较为粗大的等轴晶。渗层中的有些柱状晶组织的晶界与基体组织的等轴晶连成一片,具有相同的位相关系。说明在进行渗钛时,当表面出现反应扩散新相钛在a—Fe中的固溶体晶核时,该晶核是依附于具有一定位相和共格关系基体的晶粒上,否则基体上的该晶粒在高温冷却时的晶体结构由钛在 Fe中的固溶体向钛在 —Fe中的固溶体转变发生相变时将会出现相界面。 <
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图2表示了复合渗镀氮化钛层的SEM 组织。可见表面渗镀氮化钛层致密,与基体的分界线较清晰,层厚达10 ptm 以上。 \IO<V9^L
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用WS一97型声发射信号划痕仪对TiN复合渗镀层进行结合强度的检测(加载速率:100 N/min;终止载荷:100 N;划痕速度:4 mm/min),在0~i00N 的连续加载载荷范围内,压头滑过渗层表面时,未出现发射信号突然增大的现象,没有出现临界载荷Lc。渗镀层表面划痕的边缘平整,无裂纹无剥落现象产生。说明了TiN复合渗镀层和基体问的结合强度好。 DAf0bh"
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表1表示了辉光溅射复合渗镀氮化钛层在不同工艺温度下,表面颜色与温度、流量比之间的关系。 (Q}ByX
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参数 温度/C 流量比(Ar:Ni) 表面颜色编号 \ R^&.:;Wi>
1.1 850 i00;3 土黄色 vq:?a
l_2 8,50 i00:6 黄色 9NeHN@D)
1.3 850 i00:9 浅黄色 '9@AhiNV
1.4 850 i00:12 淡黄色 >9<