雙輝光離子滲金屬

1、2012-2013-2期末表面工程概論2010屆論文評分標準姓名趙宗峰班級10材料本學(xué)號20100570138考核目的培養(yǎng)學(xué)生在進行科研課題實驗之后，對研究內(nèi)容、研究結(jié)果、研究結(jié)論給予報告交流的能力。使學(xué)生在今后工作中，具有對生產(chǎn)中存在的問題解決并進行同行的交流的能力。題目題目研究內(nèi)容完全一致10-8，一般7-4，差3-0摘要及關(guān)鍵詞格式正確，能將論文研究內(nèi)容結(jié)果結(jié)論簡練地表達10-8、表達一般7-4、差3-0 研究內(nèi)容論文結(jié)構(gòu)合理、研究內(nèi)容充實、實驗手段應(yīng)用恰當(dāng)，對結(jié)果能進行正確分析的60-40，一般39-20，差19-0 語言表達方面邏輯性強、能用專業(yè)語言表達、語句通順、極少錯別字15-1

2、0，一般9-5，差4-0參考文獻有標注，齊全5，一般0-4合計總分考核成績?nèi)握n教師簽字審核人簽字雙輝光離子滲金屬作者 趙宗峰 單位：10材料本 學(xué)號：20100570138摘要：綜述雙層輝光離子滲金屬技術(shù)設(shè)備，工藝過程，結(jié)果分析。結(jié)果分析得雙層輝光滲金屬可以有效提高金屬基體的耐腐蝕性、耐摩擦性、硬度。從而延長了基體的壽命，節(jié)約了成本。對于節(jié)能，環(huán)保，降低防腐成本，節(jié)材都發(fā)揮著重要作用。關(guān)鍵字：雙層輝光離子滲金屬，耐腐蝕，耐磨損，硬度。引言 離子滲金屬是材料表面工程里面一項重要的改變材料表面多方面性能的重要技術(shù)。雙輝光離子滲金屬對提高材料基體的抗腐蝕性，抗磨損性，提高硬度都有很大的幫助對于延長材

3、料壽命節(jié)約成本，環(huán)保，降低防腐成本，節(jié)材都發(fā)揮著積極作用。因此此技術(shù)引起國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的極大關(guān)注。實驗材料設(shè)備 2、工藝過程 3、實驗結(jié)果及討論 4、結(jié)論 5、參考文獻1試驗設(shè)備圖為 雙層輝光等離子表面冶金試驗爐雙層輝光等離子表面冶金試驗爐包括輔助陰極、風(fēng)冷系統(tǒng)、陰極結(jié)構(gòu)、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、外加熱源、隔熱屏系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和電源。在操作時，先將工件掛好，再進行源極布置，最后將鐘罩蓋上。這樣可以保證源極與工件之間的相對位置及源極與工件之間的距離。如果工件的長度過長，應(yīng)考慮溫度的均勻性問題，增加一些輔助陰極。試驗材料試驗采用Q235低碳鋼，對其進行滲鉻鎳。Q表示屈服極限，在235MPa左

4、右。尺寸為35×25×3mm。由于初始試樣表面粗糙，有油漬。為了更好的進行滲鍍，需要進行打磨清洗處理。先用280#、600#、1000#、1200#砂紙依次打磨基材，使其表面粗糙度變小，然后使用丙酮或酒精進行清洗除油。處理后，基體表面應(yīng)平整，并且光澤度較好，如圖2-2。源極材料為Cr80Ni20，尺寸為80×80×5mm。雙層輝光等離子滲Cr-Ni原理：雙層輝光離子滲金屬是在一個真空容器內(nèi)設(shè)置陽極、陰極、以及由欲滲合金元素成的源極、陽極和陰極以及陽極和源極之間各設(shè)一直流可調(diào)壓電源。當(dāng)真空室的真空達到一定氣壓時，接通兩個電源，使陽極和陰極以及陽極和源極之間

5、分別產(chǎn)生輝光放電。在高電壓下電子從陰極向陽極移動，打到Ar原子使之電離出 。 離子轟擊源極使得源極濺射出欲滲元素，在負壓的作用下使欲滲元素轟擊工件表面由于雙陰極效應(yīng)導(dǎo)致工件升溫在濃度差作用下滲入工件表面形成合金層。雙層輝光等離子滲Cr-Ni工藝參數(shù)：真空室的極限真空度應(yīng)不低于5Pa，保護氣體為氬氣，工作氣壓范圍一般為1060 Pa，陰極電壓在540V左右，源極電壓在980V左右，工件升溫至850，保溫8個小時。 試驗過程在處理好試驗材料后，開始對Q235基體鋼進行滲鉻鎳處理。1.清洗真空室和放置工件，將處理過的Q235鋼用鐵絲穿起，置入保溫套，控制工件距離保溫套為15mm，把源極材料板吊在保溫

6、套的中間位置，避免溫度浮動，并保證一個穩(wěn)定的滲鉻鎳氣氛。打開設(shè)備，降下鐘罩，封閉真空室。2.啟動真空室抽真空，真空室的極限真空度應(yīng)不低于5Pa，在本次試驗中，抽至10Pa左右。同時抽出真空室的雜質(zhì)氣體，防止雜質(zhì)氣體對試驗的干擾。3.充入氬氣達到工作氣壓，雙層輝光離子滲金屬技術(shù)的工作氣壓范圍一般為1060 Pa，本次試驗為50Pa左右。穩(wěn)定氬氣的供應(yīng)量，保證現(xiàn)有氣壓的平衡，防止因氣壓不穩(wěn)定導(dǎo)致的粒子自由程改變而干擾試驗。氬氣的主要作用是激發(fā)氬離子，從而使源極合金材料以離子形式跑出，同時能凈化工件表面。4.啟動工件電源加熱工件，緩慢提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫。去除表面氧化皮，使

7、金屬表面活化，大約30分鐘即可。5.啟動源極電源加熱源極并引發(fā)合金元素濺射，在緩慢升溫的過程中，逐漸調(diào)整工件電壓和源極電壓，使工件電壓不斷下降，源極電壓不斷增高。一般而言，陰極電壓在540V左右，源極電壓在980V左右。6.工件升溫至850，保溫，根據(jù)合金層厚度要求確定保溫時間。本次試驗，設(shè)置為8個小時。7.冷卻并取出工件，在本次試驗中，采用循環(huán)水對整個設(shè)備活動進行冷卻，防止爐體在工作時溫度過高，干擾試驗。達到保溫時間后，不再通入氬氣，同時關(guān)閉離子轟擊電源，工件隨爐冷卻，由于要避免工件表面再被氧化，真空爐仍然保持工作，當(dāng)工件冷卻至50以下，取出工件，滲好的工件如圖 金相試樣制備及組織形貌觀察鉻

8、鎳共滲后得到的基材，表面相比之前，由原先的平滑光澤變得暗淡，表面粗糙度明顯變大。在所有滲后工件中，選取一個進行微觀組織和相結(jié)構(gòu)進行觀察分析。 金相試樣制備1.鉻鎳選取的試樣上選取合適的區(qū)域，用鋼鋸把該區(qū)域鋸開，鋸時應(yīng)保證不劃傷試樣表面和斷口。2.使用鑲嵌機，將鋸好的試樣進行鑲嵌。鑲嵌后需要進行保溫，溫度在135，時間為8分鐘。得到所示的鑲嵌試樣。 3.鑲嵌之后，由于試樣表面不平整，還需要打磨和拋光處理。使用600#、1000#、1200#三種砂紙分別進行打磨，待表面平整無明顯劃痕之后，使用拋光機進行拋光處理，拋光得到表面平滑如鏡面的試樣，拋光機如圖2-6。 拋光機4.對拋光后的試樣進行腐蝕處理

9、，腐蝕液采用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液，使用脫脂棉對試樣表面均勻緩慢擦拭，腐蝕3分鐘，然后用水沖洗，接著用酒精沖洗，然后用吹風(fēng)機吹干。至此，金相試樣制備已經(jīng)完成。2.2.2 組織形貌觀察將制備好的金相試樣在金相顯微鏡下進行觀察，可觀察到如下圖2-6和2-7。 圖2-6 Q235鋼滲后顯微組織 圖2-7 Q235鋼滲后中心部位顯微組織在圖2-6中可清晰的觀察到，滲層與基體之間有一明顯界面，厚度130m。圖2-7可觀察到，晶粒大小不同，晶界可以很清晰的觀察到。由于受熱不均勻，越靠近滲層，受熱越大，因而晶粒也就越大。在使用金相顯微鏡觀察后，再使用掃描電子顯微鏡對滲層進行線掃描成分分析。設(shè)備如圖2-8

10、。 圖2-8 S-3400N掃描電鏡 圖2-9 滲層微區(qū)分線掃描 滲層線掃描能譜圖300m到400m，對應(yīng)試樣區(qū)域Ni的相對含量較少，強度為10，Cr的含量相對多，強度約為200，Cr和Ni含量都波動較小，而Fe的含量最多，強度約為600?？纱_定，為滲層區(qū)域，由于所用靶材為Cr80Ni20，所以才會出現(xiàn)Cr少Ni多。在300m處，F(xiàn)e的的含量急劇下降，強度降為250，Cr的含量增加，強度接近Fe。在300m處，是滲層與基體的結(jié)合部位，對這種情況進行分析，可能是由于結(jié)合部位膜基結(jié)合力弱，導(dǎo)致元素貧瘠化。在300m以內(nèi)，F(xiàn)e的含量急劇上升后穩(wěn)定波動，強度穩(wěn)定在約850。Cr含量下降，達到和Ni相同

11、的含量，強度約為10。分析可知，在300m內(nèi)，為基體，只有微量的Cr和Ni滲入，所以才會出現(xiàn)Cr和Ni少，F(xiàn)e多。四、實驗結(jié)果及分析4.1 鉻鎳滲層抗磨損性能對比分析（磨損劃痕， 摩擦系數(shù)）：分別將Q235基體鋼和滲鉻鎳Q235鋼在電子天平上稱重，然后以合適位置分別固定在摩擦磨損試驗機試驗機工作臺上，放置砝碼，在電腦上設(shè)定參數(shù)，打開試驗設(shè)備，記錄數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。1.旋轉(zhuǎn)半徑為2mm，加載載荷為500g，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為300r/min，磨損試驗時間為60min。調(diào)整好調(diào)整鉆頭與試樣之間的距離。試驗完成后，得到摩擦系數(shù)曲線。2.試驗前，對Q235基體鋼稱重為29.365g,滲鉻鎳鋼稱重為30.334g

12、。摩擦磨損試驗后，再次進行稱重，Q235基體剛為29.352g，滲鉻鎳鋼為30.331g。Q235基體鋼損失質(zhì)量為0.013g，摩擦系數(shù)波動范圍小，滲鉻鎳處理后損失質(zhì)量為0.003g。對比表明，在滲鉻鎳處理后，Q235鋼磨損損失質(zhì)量明顯減少，表明滲鉻鎳處理顯著提高了Q235鋼的耐磨性能。 摩擦磨損試驗參數(shù)及結(jié)果 樣品名稱 Q235鋼基體 Cr-Ni共滲試樣實驗半徑 2mm 2mm旋轉(zhuǎn)速度 300 r/min 300 r/min載荷 500 g 500 g磨損損失質(zhì)量 0.013g 0.003g最大摩擦系數(shù) 0.6011 0.5596平均摩擦系數(shù) 0.6299 0.4314 鉻鎳共滲試樣表面摩擦

13、因數(shù)隨時間變化的曲線 Q235基體鋼表面摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線 從圖中可分析，1、磨損初，基體鋼摩擦系數(shù)約為0.35，隨時間變化波動范圍不大，較為穩(wěn)定；隨著摩擦?xí)r間延長，基體鋼摩擦系數(shù)保持在0.55到0.60之間波動。2、磨損初，滲鉻鎳處理后的試樣，摩擦系數(shù)約為0.15。；鉻鎳共滲試樣摩擦系數(shù)緩慢增大，從40min開始，摩擦系數(shù)從0.30急劇增加到0.65。在整個磨損的60min內(nèi)，基體鋼平均摩擦系數(shù)為0.62，鉻鎳共滲試樣平均摩擦系數(shù)為0.42。對Q235基體鋼和Cr-Ni共滲試樣進行維氏硬度測定，Q235基體鋼為170HV，Cr-Ni共滲試樣為230HV，表明Cr-Ni層顯著提高了Q23

14、5基體鋼表面的硬度。 基體鋼和鉻鎳共滲的摩擦磨損曲線表明，一開始，基體鋼就受到嚴重的磨損，摩擦系數(shù)較大，波動范圍小。鉻鎳共滲試樣表面，由于有鉻鎳層的保護，硬度提高磨損降低，一開始摩擦系數(shù)較小。隨后鉻鎳共滲試樣由于滲層被磨損完破裂，接觸基體鋼，摩擦系數(shù)開始急劇，磨損波動變化較大，最后達到和Q235基體鋼相似的摩擦系數(shù)。試驗結(jié)果表明，Q235在進行滲鉻鎳處理后，耐磨性能大大提高。4.2 滲鉻鎳后Q235鋼抗腐蝕性測試（極化曲線分析）： 3%NaCl溶液電化學(xué)腐蝕結(jié)果 試樣名稱 腐蝕電流密度 腐蝕速率 mA/cm2 mm/aQ235基體鋼 1.04×10-4 1.09×10-3Cr-Ni共滲試樣 2.46×10-5 3.63×10-4鉻鎳共滲后，腐蝕電流密度與腐蝕速率相比Q235基體鋼，都明顯降低。Q235基體鋼的腐蝕電流密度是Cr-Ni共滲試樣的4倍左右，腐蝕速度為3倍左右。表明鉻鎳合金層提高了Q235鋼的耐腐蝕性。 普通碳鋼腐蝕曲線圖 Cr-Ni共滲鋼腐蝕曲線參考典型陽極鈍化曲線分析，在3%NaCl溶液中，Q235基體鋼鈍化現(xiàn)象不明顯，在E=-0.55V時開始進入鈍化區(qū)，但穩(wěn)定的鈍化區(qū)間極小。然后腐