激光與等離子體混合方法實(shí)現(xiàn)鐵基材料氮化的研究.pdf

1、鋼鐵作為日常生活中不可或缺的材料，滲透進(jìn)了生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，已經(jīng)成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的材料。近年來(lái)，隨著對(duì)鋼鐵材料性能要求的不斷增長(zhǎng)，原始冶金技術(shù)已不能滿(mǎn)足方方面面對(duì)鋼鐵材料的要求。因而涌現(xiàn)出了許多改變鋼鐵性能的方法，其中以對(duì)鋼鐵表面改性尤為受人關(guān)注?，F(xiàn)在最普通的方法就是在鋼鐵的表面形成一層致密的氮化層，這樣可以很好的改變鋼鐵的表面硬度和耐磨性。制備氮化層的方法有很多，但它們?cè)诠I(yè)應(yīng)用上存在著不同的局限性。于是，提出了一種

2、新的表面氮化方法——激光和等離子體混合氮化方法。 為使氮等離子體能夠與激光很好的匹配用于材料氮化研究，自行研制了兩種小功率等離子炬用于實(shí)驗(yàn)，并且從伏安特性，流量與放電電壓電流的關(guān)系，束流強(qiáng)度，火焰形狀，振蕩頻率，離子數(shù)密度以及發(fā)射光譜等方面對(duì)其性能進(jìn)行了研究。 利用第二種等離子炬與激光混合，在大氣氣氛中對(duì)鐵基底進(jìn)行了氮化處理，并利用XRD、EPM、STM、SEM、讀數(shù)顯微鏡、洛氏硬度計(jì)和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)等手段對(duì)制備的樣品進(jìn)

3、行了測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析表明，在大氣氣氛下利用激光和等離子體混合方法可以制備氮化鐵，并且經(jīng)過(guò)氮化后樣品的表面硬度，飽和磁化強(qiáng)度等物理性質(zhì)得到了增強(qiáng)。這種新的制備氮化鐵的方法不僅可以降低單一激光氮化方法所需激光功率密度，有效的抑制樣品氧化，而且它的氮化效果優(yōu)于激光與加熱氮?dú)饣旌系椒ㄌ幚聿牧媳砻娴牡Ч?。論文中?duì)激光功率密度、掃描速度以及氮等離子體流量等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)氮化效果的影響進(jìn)行了研究和討論。在合適的實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著激光

4、功率的增高，樣品表面形成的氮化物含量線(xiàn)性增加，氮化層厚度增大，表面粗糙程度也有所增加；隨著掃描速度的增加，氮化物含量二次方遞減，氮化深度減小，但是掃描速度對(duì)樣品表面的粗糙程度影響并不明顯；氮等離子體流量對(duì)氮化效果也有明顯的影響，當(dāng)?shù)入x子體的流量＜0.5m3/h時(shí)，在用混合方法處理后，樣品表面不能得到明顯的氮化效果；只有當(dāng)?shù)入x子體流量＞0.5m3/h后才有較好的氮化效果，然后隨著流量的增加氮化物含量不斷增加，當(dāng)流量為0.9m3/h時(shí)，氮

5、化達(dá)到飽和，氮化物含量不再增加。但是對(duì)氮化深度來(lái)說(shuō)氮等離子體流量的影響不明顯。此外采用該混合方法也對(duì)鈦的氮化進(jìn)行了一些研究，同樣在金屬鈦表面實(shí)現(xiàn)了氮化，并發(fā)現(xiàn)隨著激光功率密度的增加氮化物含量增加，在相同條件下該方法氮化效果優(yōu)于激光和加熱氮?dú)獾牡椒ā?為了了解激光和等離子體混合方法制備的氮化鐵樣品的高溫時(shí)效性，對(duì)制備的氮化鐵樣品在200℃-1000℃不同的溫度下進(jìn)行四小時(shí)退火實(shí)驗(yàn)。退火后，利用XRD、EPM等檢測(cè)手段對(duì)樣品進(jìn)行

6、了測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)退火溫度≤800℃時(shí)，樣品中氮化物含量還能達(dá)到退火前的36％以上，只有當(dāng)退火溫度達(dá)到1000℃時(shí)大部分鐵氮化合物才被分解，其熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于激光與加熱氮?dú)夥椒ㄖ频玫蔫F氮化合物。 在制備出鐵氮化合物后，采用了蒙特卡羅方法對(duì)氮化過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。模擬建立在兩體碰撞模型的基礎(chǔ)上，又根據(jù)激光和等離子混合方法的特殊性，引入了溫度因子和能量項(xiàng)。利用C語(yǔ)言按照模型描述編寫(xiě)了程序，使用該程序進(jìn)行了蒙特卡羅模擬計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中

7、通過(guò)改變激光功率密度，掃描速度，入射能量，入射角度等參數(shù)，獲得了不同條件下氮元素在靶材鐵中的分布情況，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，兩者結(jié)果基本一致。 另外，由于經(jīng)過(guò)激光和等離子混合氮化方法處理后的鐵樣品的磁性并沒(méi)有受到明顯影響甚至有所增強(qiáng)，這表明Fe-N化合物的引入可能對(duì)磁性有利，為了探討這一問(wèn)題，本論文利用蒙特卡羅方法在Fe4N晶格結(jié)構(gòu)上建立了3/2和1混自旋Ising模型對(duì)Fe4N的磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了一些計(jì)算。Fe4N的擴(kuò)展面心立方晶