作者：高原 徐重
5,;{< \c v?5Xx{ym 摘 要：介紹了一種在Q235鋼表面，利用等離子反應濺射直接復合滲鍍合成氮化鈦的工藝方法。該
h yFq>XFo 滲鍍層是由鋼鐵材料基體上均勻分布細小氮化鈦顆粒的滲層和表面氮化鈦沉積層組成。沉積層與滲層之間有一平緩過渡區(qū)。滲層與基體是冶金結(jié)合，不會產(chǎn)生剝落。滲鍍層表面硬度平均達到HV2 300。X射線衍射結(jié)果表明，表面為純氮化鈦層，(200)晶面的衍射峰最強，具有明顯的擇優(yōu)取向。用劃痕儀進行結(jié)合強度檢測，聲發(fā)射曲線未見突起的信號峰值，表明結(jié)合強度好。復合滲鍍氮化鈦試樣在1o 硫酸、5 鹽酸、3．5 9／6氯化鈉水溶液和硫化氫富液中進行腐蝕試驗。耐腐蝕性能分別比改性前提高了789，26，3．3，67倍。
ZA+$ ZU^ 關(guān)鍵詞：氮化鈦；腐蝕性；滲鍍層；等離子體；固溶體；擴散層
Q:lSKf ,Rz,[KI| 氮化鈦以其優(yōu)異的力學性能和化學性能，在工業(yè)上得到廣泛的應用n]，成為目前解決耐腐蝕問題的有效方法。本文首先提出了一種新的等離子復合滲鍍合成氮化鈦的方法[ ，該工藝方法形成的氮化鈦組織是鈦固溶體擴散層上均勻分布氮化鈦顆粒和表面氮化鈦沉積層，表面氮化鈦沉積層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，不會產(chǎn)生剝落且致密。將等離子復合滲鍍合成氮化鈦試樣與未經(jīng)處理的Q235鋼試樣進行耐腐性能比較。結(jié)果表明，前者較后者提高耐腐蝕性能數(shù)倍至數(shù)百倍。
vY6eg IO MiAXbo#\ 1 復合滲鍍氮化鈦工藝
\2 pJ ] &A]*"lt|w 1．1 工藝試驗
d{I|4 h , )u}8ty3j 1．1．1 試驗條件
PUF"^9v 5c`DkWne% 試樣材料：Q235鋼，尺寸：15 mm×15 mm×5mm，表面經(jīng)過磨削加工。
kR9G;IZ8s lD. PN wM 鈦供給源：用 5 mm×30 mm 的Ti絲，置于尺寸為080 mm×50 mm×5 mm 桶形圓周上。絲的間隔上下左右lO～ 15 mm。試樣置于桶形陰極的中間，與絲狀源極的尖端間距約5～15 mm。
DSD#', hPP+lqY[ 1．1．2 試驗方法
5f SDdaO ,r +=>vre 利用輝光放電濺射原理、等電位陰極濺射方法、針狀鈦絲的尖端放電效應、鈦絲之間以及鈦絲與試樣之間的空心陰極現(xiàn)象 l，將鈦以離子、原子和粒子團的形式濺射出來。首先在試樣表面滲入合金元素鈦，形成鈦合金擴散層。滲鈦保溫結(jié)束后，緊接著在先期僅有工作氣體氬氣的基礎(chǔ)上，通人一定量的氮氣，與氬氣保持一定的混合比。進行滲氮和氮化鈦的復合滲鍍過程。一部分氮原子參與表面氮化鈦的形成和沉積過程，一部分滲入到表層的鈦合金化層中形成含有第二相氮化鈦顆粒和含鈦固溶體的擴散層中。
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Yj\t?,0 q^>$YY>F 1．1．3 工藝參數(shù)
i8+kc_8#d 2-. g>'W 極限真空度：3．0×10_。Pa；滲Ti與復合滲鍍
;F"W6G 工作真空度：3o～35 Pa；試樣電壓：300～500 V；
A<QYW,:| 試樣電流：l_5～3 A；工作氣體：前期為Ar，后期復合滲鍍采用Ar和N；
L*Xn!d% 滲Ti時間：3 h，復合滲鍍氮化鈦時問：2 h；
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Jo 滲鈦溫度與復合滲鍍溫度為：850℃ ，920℃ ，1020 ℃ 。
E&jngxlN `N;u# z 1．1.4 分析儀器
hQ#'_%:
. 9 S 用GDA750型輝光放電光譜分析儀測定試樣
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:*G G+4 復合滲鍍層成分；用LEC 圖像分析儀和NEW—PH0TER一21型臥式顯微鏡觀察分析滲鍍層厚度、金相組織和表面形貌；用日本JEOI ／JSM一5610I V掃描電鏡，德國Bruker—aXS D8進行微觀組織和滲層物相測定(Cu靶，40 kV，lOO mA)；用M一400一H1顯微硬度計檢測表面硬度；采用PS—l68A 型電化學測量系統(tǒng)進行電化學腐蝕性能試驗。用WS一97型聲發(fā)射信號劃痕儀進行結(jié)合強度檢測。
_T<ney}Y< +TfMj1Zx 1．2 試驗結(jié)果與分析
;xXHSxa:=W g=:%j5?.e 圖1表示了滲鈦的金相組織，由圖可見。滲鈦層與基體有一分界線。滲層組織為柱狀晶，垂直由表面向內(nèi)生長，基體組織是較為粗大的等軸晶。滲層中的有些柱狀晶組織的晶界與基體組織的等軸晶連成一片，具有相同的位相關(guān)系。說明在進行滲鈦時，當表面出現(xiàn)反應擴散新相鈦在a—Fe中的固溶體晶核時，該晶核是依附于具有一定位相和共格關(guān)系基體的晶粒上，否則基體上的該晶粒在高溫冷卻時的晶體結(jié)構(gòu)由鈦在 Fe中的固溶體向鈦在 —Fe中的固溶體轉(zhuǎn)變發(fā)生相變時將會出現(xiàn)相界面。
Fu(e4E ]nEN3RJ 圖2表示了復合滲鍍氮化鈦層的SEM 組織�？梢姳砻鏉B鍍氮化鈦層致密，與基體的分界線較清晰，層厚達10 ptm 以上。
`3*>tq &W)k s 用WS一97型聲發(fā)射信號劃痕儀對TiN復合滲鍍層進行結(jié)合強度的檢測(加載速率：100 N／min；終止載荷：100 N；劃痕速度：4 mm／min)，在0～i00N 的連續(xù)加載載荷范圍內(nèi)，壓頭滑過滲層表面時，未出現(xiàn)發(fā)射信號突然增大的現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)臨界載荷Lc。滲鍍層表面劃痕的邊緣平整，無裂紋無剝落現(xiàn)象產(chǎn)生。說明了TiN復合滲鍍層和基體問的結(jié)合強度好。
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;4QL 表1表示了輝光濺射復合滲鍍氮化鈦層在不同工藝溫度下，表面顏色與溫度、流量比之間的關(guān)系。
Wi'BX#xCB M\DUx5d J, 參數(shù) 溫度／C 流量比(Ar：Ni) 表面顏色編號 ＼
2< qq[2 1．1 850 i00；3 土黃色
e( 6g|h l_2 8,50 i00：6 黃色
g*AnrQ}P 1．3 850 i00：9 淺黃色
vx5;}[Bhm 1．4 850 i00：12 淡黃色
n)8bkcZCp+ 2。1 920 l00：3 淺黃色
JOx 75} 2．2 920 i00：6 金黃色
%]nLCoQh 2．3 920 i00 l 9 黃色
Cx}
Yp- 2．4 920 100：I2 深黃色
U]@t\T3W 3．1 1 020 i00 l 3 淺黃色
X CDHd
?Ld 3．2 1 020 i00 l 6 黃色
d]}
7] 3．3 l 020 100 l 9 金黃色
U3&*,xeU@H 3．4 1 020 i00；i2 金黃色
W#8qhmt -!I.:97 N 由表1可知，隨著滲鍍溫度的提高，獲得金黃色表面所需氮氣的流量提高。在850 C時，氮氣流量在3～12 mL／min范圍內(nèi)，未見表面金黃色出現(xiàn)。溫度升高到920℃時，氮氣流量在6 m1 ／min時，即出現(xiàn)金黃色。而溫度達到1 020℃時，氮氣流量在9～ 12 mL／min時，均出現(xiàn)金黃色。
ec)G~?FH 7'xT)~*$4 1．3 表面硬度
<YUc?NF =u YSZR 圖3為滲鍍溫度與硬度之間的關(guān)系曲線。試樣采用5O克負載，檢測滲鍍層表面硬度。檢測結(jié)果表明，表面硬度在HV I 600～3 000之間，平均為HV2 300。硬度隨著合成氮化鈦滲鍍溫度提高和滲鍍層厚度增加而增加。
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