双辉光离子渗金属

2012-2013-2 期末表面工程概论 2010 届论文评分标准
姓名 赵宗峰 班级 10 材料本 学号 20100570138
培养学生在进行科研课题实验之后，对研究内容、 考核目的 研究结果、研究结论给予报告交流的能力。使学生 在今后工作中，具有对生产中存在的问题解决并进 行同行的交流的能力。 题目 题目研究内容完全一致 10-8， 一般 7-4， 差 3-0 格式正确，能将论文研究内容结果结论简 摘要及关键词 练地表达 10-8、表达一般 7-4、差 3-0 论文结构合理、研究内容充实、实验手段 研究内容 应用恰当，对结果能进行正确分析的 60-40，一般 39-20，差 19-0 逻辑性强、能用专业语言表达、语句通顺、 语言表达方面 极少错别字 15-10，一般 9-5，差 4-0
参考文献 合计总分 考核 成绩
有标注，齐全 5，一般 0-4
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双辉光离子渗金属
作者 赵宗峰 单位：10 材料本 学号：20100570138 摘要：综述双层辉光离子渗金属技术设备，工艺过程，结果分析。结果分析得双 层辉光渗金属可以有效提高金属基体的耐腐蚀性、耐摩擦性、硬度。从而延长了 基体的寿命，节约了成本。对于节能，环保，降低防腐成本，节材都发挥着重要 作用。 关键字：双层辉光离子渗金属，耐腐蚀，耐磨损，硬度。 引言 离子渗金属是材料表面工程里面一项重要的改变材料表面多方面性能的重 要技术。双辉光离子渗金属对提高材料基体的抗腐蚀性，抗磨损性，提高硬度都 有很大的帮助对于延长材料寿命节约成本，环保，降低防腐成本，节材都发挥着 积极作用。因此此技术引起国内外相关学者的极大关注。 实验 材料设备 2、工艺过程 3、实验结果及讨论 4、结论 5、参考文献 1 试 验 设 备
图为 双层辉光等离子表面冶金试验炉 双层辉光等离子表面冶金试验炉包括辅助阴极、风冷系统、阴极结构、真 空系统、供气系统、外加热源、隔热屏系统、测温系统、水冷系统和电源。 在操作时，先将工件挂好，再进行源极布置，最后将钟罩盖上。这样可以保 证源极与工件之间的相对位置及源极与工件之间的距离。如果工件的长度过 长，应考虑温度的均匀性问题，增加一些辅助阴极。 试验材料 试验采用 Q235 低碳钢，对其进行渗铬镍。Q 表示屈服极限，在 235MPa 左右。尺寸为 35×25×3mm。由于初始试样表面粗糙，有油渍。为了更好的 进行渗镀，需要进行打磨清洗处理。先用 280#、600#、1000#、1200#砂纸依

次打磨基材，使其表面粗糙度变小，然后使用丙酮或酒精进行清洗除油。处 理后，基体表面应平整，并且光泽度较好，如图 2-2。源极材料为 Cr80Ni20，
尺寸为 80×80×5mm。 双层辉光等离子渗 Cr-Ni 原理：双层辉光离子渗金属是在一个真空容器内 设置阳极、阴极、以及由欲渗合金元素成的源极、阳极和阴极以及阳极和源 极之间各设一直流可调压电源。当真空室的真空达到一定气压时，接通两个 电源，使阳极和阴极以及阳极和源极之间分别产生辉光放电。在高电压下电 子从阴极向阳极移动，打到 Ar 原子使之电离出 。 离子轰击源极使得源极溅 射出欲渗元素，在负压的作用下使欲渗元素轰击工件表面由于双阴极效应导 致工件升温在浓度差作用下渗入工件表面形成合金层。
双层辉光等离子渗 Cr-Ni 工艺参数：真空室的极限真空度应不低于 5Pa， 保护气体为氩气，工作气压范围一般为 10～60 Pa，阴极电压在 540V 左右， 源极电压在 980V 左右，工件升温至 850℃，保温 8 个小时。

试验过程 在处理好试验材料后，开始对 Q235 基体钢进行渗铬镍处理。 1.清洗真空室和放置工件， 将处理过的 Q235 钢用铁丝穿起， 置入保温套， 控制工件距离保温套为 15mm，把源极材料板吊在保温套的中间位置，避免 温度浮动，并保证一个稳定的渗铬镍气氛。打开设备，降下钟罩，封闭真空 室。 2.启动真空室抽真空， 真空室的极限真空度应不低于 5Pa， 在本次试验中， 抽至 10Pa 左右。同时抽出真空室的杂质气体，防止杂质气体对试验的干扰。 3.充入氩气达到工作气压，双层辉光离子渗金属技术的工作气压范围一般 为 10～60 Pa，本次试验为 50Pa 左右。稳定氩气的供应量，保证现有气压的 平衡，防止因气压不稳定导致的粒子自由程改变而干扰试验。氩气的主要作 用是激发氩离子，从而使源极合金材料以离子形式跑出，同时能净化工件表 面。 4.启动工件电源加热工件，缓慢提高工件电源电压，加大工件电流，使工 件逐步升温。去除表面氧化皮，使金属表面活化，大约 30 分钟即可。 5.启动源极电源加热源极并引发合金元素溅射，在缓慢升温的过程中，逐 渐调整工件电压和源极电压，使工件电压不断下降，源极电压不断增高。一 般而言，阴极电压在 540V 左右，源极电压在 980V 左右。 6.工件升温至 850℃，保温，根据合金层厚度要求确定保温时间。本次试 验，设置为 8 个小时。 7.冷却并取出工件， 在本次试验中， 采用循环水对整个设备活动进行冷却， 防止炉体在工作时温度过高，干扰试验。达到保温时间后，不再通入氩气， 同时关闭离子轰击电源，工件随炉冷却，由于要避免工件表面再被氧化，真 空炉仍然保持工作，当工件冷却至 50℃以下，取出工件，渗好的工件如图
金相试样制备及组织形貌观察 铬镍共渗后得到的基材，表面相比之前，由原先的平滑光泽变得暗淡，表 面粗糙度明显变大。在所有渗后工件中，选取一个进行微观组织和相结构进 行观察分析。 金相试样制备 1.铬镍选取的试样上选取合适的区域，用钢锯把该区域锯开，锯时应保证 不划伤试样表面和断口。 2.使用镶嵌机，将锯好的试样进行镶嵌。镶嵌后需要进行保温，温度在

135℃，时间为 8 分钟。得到所示的镶嵌试样。
3.镶嵌之后， 由于试样表面不平整， 还需要打磨和抛光处理。 使用 600#、 1000#、1200#三种砂纸分别进行打磨，待表面平整无明显划痕之后，使用抛 光机进行抛光处理，抛光得到表面平滑如镜面的试样，抛光机如图 2-6。
抛光机 4.对抛光后的试样进行腐蚀处理，腐蚀液采用体积分数 4%的硝酸酒精溶 液，使用脱脂棉对试样表面均匀缓慢擦拭，腐蚀 3 分钟，然后用水冲洗，接 着用酒精冲洗，然后用吹风机吹干。至此，金相试样制备已经完成。 2.2.2 组织形貌观察 将制备好的金相试样在金相显微镜下进行观察， 可观察到如下图 2-6 和 2-7。

图 2-6
Q235 钢渗后显微组织
图 2-7 Q235 钢渗后中心部位显微组织 在图 2-6 中可清晰的观察到， 渗层与基体之间有一明显界面， 厚度 130μm。 图 2-7 可观察到，晶粒大小不同，晶界可以很清晰的观察到。由于受热不均 匀，越靠近渗层，受热越大，因而晶粒也就越大。 在使用金相显微镜观察后， 再使用扫描电子显微镜对渗层进行线扫描成分 分析。设备如图 2-8。

图 2-8
S-3400N 扫描电镜
图 2-9
渗层微区分线扫描
渗层线扫描能谱图 300μm 到 400μm，对应试样区域 Ni 的相对含量较少，强度为 10，Cr 的含 量相对多，强度约为 200，Cr 和 Ni 含量都波动较小，而 Fe 的含量最多，强

度约为 600。可确定，为渗层区域，由于所用靶材为 Cr80Ni20，所以才会出 现 Cr 少 Ni 多。在 300μm 处，Fe 的的含量急剧下降，强度降为 250，Cr 的含 量增加，强度接近 Fe。在 300μm 处，是渗层与基体的结合部位，对这种情况 进行分析，可能是由于结合部位膜基结合力弱，导致元素贫瘠化。在 300μm 以内，Fe 的含量急剧上升后稳定波动，强度稳定在约 850。Cr 含量下降，达 到和 Ni 相同的含量，强度约为 10。分析可知，在 300μm 内，为基体，只有 微量的 Cr 和 Ni 渗入，所以才会出现 Cr 和 Ni 少，Fe 多。 四、实验结果及分析 4.1 铬镍渗层抗磨损性能对比分析（磨损划痕， 摩擦系数） ： 分别将 Q235 基体钢和渗铬镍 Q235 钢在电子天平上称重，然后以合适位 置分别固定在摩擦磨损试验机试验机工作台上，放置砝码，在电脑上设定参 数，打开试验设备，记录数据并分析结果。 1.旋转半径为 2mm，加载载荷为 500g，旋转转速为 300r/min，磨损试验 时间为 60min。调整好调整钻头与试样之间的距离。试验完成后，得到摩擦 系数曲线。 2.试验前，对 Q235 基体钢称重为 29.365g,渗铬镍钢称重为 30.334g。摩擦 磨损试验后，再次进行称重，Q235 基体刚为 29.352g，渗铬镍钢为 30.331g。 Q235 基体钢损失质量为 0.013g，摩擦系数波动范围小，渗铬镍处理后损失质 量为 0.003g。对比表明，在渗铬镍处理后，Q235 钢磨损损失质量明显减少， 表明渗铬镍处理显著提高了 Q235 钢的耐磨性能。 摩擦磨损试验参数及结果 样品名称 Q235 钢基体 Cr-Ni 共渗试样 实验半径 2mm 2mm 旋转速度 300 r/min 300 r/min 载荷 500 g 500 g 磨损损失质量 0.013g 0.003g 最大摩擦系数 0.6011 0.5596 平均摩擦系数 0.6299 0.4314

铬镍共渗试样表面摩擦因数随时间变化的曲线
Q235 基体钢表面摩擦因数随时间变化的曲线 从图中可分析，1、磨损初，基体钢摩擦系数约为 0.35，随时间变化波动 范围不大， 较为稳定； 随着摩擦时间延长， 基体钢摩擦系数保持在 0.55 到 0.60 之间波动。2、磨损初，渗铬镍处理后的试样，摩擦系数约为 0.15。 ；铬镍共 渗试样摩擦系数缓慢增大， 40min 开始， 从 摩擦系数从 0.30 急剧增加到 0.65。 在整个磨损的 60min 内，基体钢平均摩擦系数为 0.62，铬镍共渗试样平均摩 擦系数为 0.42。 对 Q235 基体钢和 Cr-Ni 共渗试样进行维氏硬度测定， Q235 基体钢为 170HV， Cr-Ni 共渗试样为 230HV，表明 Cr-Ni 层显著提高了 Q235 基体钢表面的硬度。 基体钢和铬镍共渗的摩擦磨损曲线表明，一开始，基体钢就受到严重 的磨损，摩擦系数较大，波动范围小。铬镍共渗试样表面，由于有铬镍层的

保护，硬度提高磨损降低，一开始摩擦系数较小。随后铬镍共渗试样由于渗 层被磨损完破裂，接触基体钢，摩擦系数开始急剧，磨损波动变化较大，最 后达到和 Q235 基体钢相似的摩擦系数。试验结果表明，Q235 在进行渗铬镍 处理后，耐磨性能大大提高。 4.2 渗铬镍后 Q235 钢抗腐蚀性测试（极化曲线分析） ： 3%NaCl 溶液电化学腐蚀结果 试样名称 腐蚀电流密度 mA/cm2 Q235 基体钢 1.04×10-4 Cr-Ni 共渗试样 2.46×10-5
腐蚀速率 mm/a 1.09×10-3 3.63×10-4
铬镍共渗后，腐蚀电流密度与腐蚀速率相比 Q235 基体钢，都明显降低。 Q235 基体钢的腐蚀电流密度是 Cr-Ni 共渗试样的 4 倍左右，腐蚀速度为 3 倍 左右。表明铬镍合金层提高了 Q235 钢的耐腐蚀性。
普通碳钢腐蚀曲线图

Cr-Ni 共渗钢腐蚀曲线 参考典型阳极钝化曲线分析， 3%NaCl 溶液中， 在 Q235 基体钢钝化现象不 明显，在 E=-0.55V 时开始进入钝化区，但稳定的钝化区间极小。然后腐蚀电 流密度开始从 10-7A/cm2 左右迅速增大。表明在碳钢表面形成的氧化膜可能 形成之后立即溶解或脱落，对基体没有起到保护作用。Cr-Ni 共渗试样钝化曲 线，有明显的钝化区间，在 E=-0.525V 到 E=0.15V 之间是非常稳定的钝化区， 形成的钝化膜抑制了阳极金属的溶解， 随后腐蚀电流密度以较慢的速度增加， 形成的钝化膜保护了基体，同时也在不断溶解。结果表明，铬镍渗层能显著 提高抗普通 Q235 钢抗腐蚀性能，保护工件减少腐蚀损害，很大程度上提高 工件的工作寿命，降低生产成本。