【摘 要】
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黑色金属材料因为强度高、韧性高和不错的耐腐蚀性能,被广泛应用于各行各业,其性能的优化一直是备受关注的课题研究。表面改性处理可以提升黑色金属的表面性能,使其应用更加广泛。等离子体氮化技术因其经济有效,发展迅速,在各种表面处理方法中备受称赞。等离子体氮化利用辉光放电产生等离子体,高速的氮正离子对工件表面进行轰击,将活性氮原子渗入材料表面。在这个过程中,渗入黑色金属材料中的氮与基体中的Fe等元素形成氮化
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黑色金属材料因为强度高、韧性高和不错的耐腐蚀性能,被广泛应用于各行各业,其性能的优化一直是备受关注的课题研究。表面改性处理可以提升黑色金属的表面性能,使其应用更加广泛。等离子体氮化技术因其经济有效,发展迅速,在各种表面处理方法中备受称赞。等离子体氮化利用辉光放电产生等离子体,高速的氮正离子对工件表面进行轰击,将活性氮原子渗入材料表面。在这个过程中,渗入黑色金属材料中的氮与基体中的Fe等元素形成氮化物表面层和坚固的内部,因此提高了材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。但传统的等离子体氮化是在高气压（100-1500 Pa）和低电压（300-800 V）下进行处理的,导致电离效率低,通量能量低,氮化效率低。氮气在大多数金属材料中的扩散率极低,在铁中,它仅有10-12m~2/s。由于这一事实,氮化所需时间长,温度（高于500℃）高。在某些黑色金属材料中,这可能会导致基材变形和严重恶化,影响了黑色金属零部件的使用寿命,限制了黑色金属材料性能的发挥,束缚了黑色金属材料的应用。磁场可以用来提高这个过程中的放电效率和材料表面的化学反应动力学,提高了氮化效率,因此可以减少氮化所需时间。且在样品背面被水冷冷却,样品内部会形成一个温度梯度,样品基体温度相对较低从而降低氮化温度。与传统离子氮化方法相比,使用此种方法可以实现较低的压力（2 Pa）,较低的温度（300℃）和较低的电压（300-500 V）下成功使黑色金属材料表面性能得到提高,有着重要的意义。本文选用工业纯铁作为模型材料,对工业纯铁进行了直流等离子体氮化处理。研究结果如下:（1）通过XRD、表面显微硬度测定及电化学测试等分析手段,讨论压力参数（2、3、5 Pa）与氮气流量参数（120、160、200 sccm）对氮化纯铁性能的影响,来探究在磁场中适合氮化纯铁的气压大小与氮气流量大小。结果表明气压与氮气流量影响着铁氮化合物的形成。随着气压的减小与氮气流量的增加,纯铁的表面硬度和耐腐蚀性能提高。从而得知适宜在气压为2 Pa,氮气流量为200 sccm时进行直流等离子体氮化处理。（2）在气压为2 Pa,氮气流量为200 sccm时,在较低的温度下（约300℃）对纯铁离子氮化不同时间（1、2、3h）。在相同气压、氮气流量条件,不同功率密度（7.2、9.6、12W/cm~2）也进行了氮化处理。通过XRD、XPS、SEM、表面显微硬度与电化学测试,研究工业纯铁性能的变化。结果表明在较低温度下（300℃）成功对纯铁进行了离子氮化处理,时间与功率密度影响着氮化铁相的形成。随着时间和功率密度的增加,氮化层厚度、表面显微硬度和耐腐蚀性能提高。（3）通过把样品厚度降低,使水冷冷却速度提高来进一步降低氮化温度。低温（150℃、200℃）下在磁场中对纯铁等离子体氮化不同时间（1、3、5h）。通过XPS、SEM、表面显微硬度与电化学测试证明了在低温（150℃、200℃）下进行离子氮化的有效性。
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