预氧化对离子渗氮作用与催渗机理研究

Plasma nitriding is a kind of widely used surface modification technology, which can significantly improve the wear resistance and service life of metal parts. Unfortunately, its shortcoming of low efficiency and long process cycle for current technology has highly restricted the development of plasma nitriding. Based on the essence of reaction diffusion in plasma nitriding, pre-oxidation is adopted in this project to form nano oxide film on the metal surface, improve the surface and the interface, promote the activity of nitrogen adsorption, reduce the activation energy of reaction diffusion, enhance the nitrogen atom diffusion velocity effect etc., and thus to achieve a significant improvement of plasma nitriding efficiency. The research contents include: 1) the relationship between the formation and evolution of oxide film with the pre-oxidation process; 2) the effect of pre-oxidation on the material surface energy and structure, activation energy and nitrogen atom diffusion velocity; 3) the evolution of pre-oxidized film and the growth dynamics of nitrided layer during plasma nitriding process; 4) the relationship between pre-oxidation process and plasma nitriding efficiency. The expected research objectives are as follows, 1) to reveal the formation mechanism of nano oxide film; 2) clarify the effect of pre-oxidation on the efficiency of plasma nitriding; and the growth kinetics of nitrided layer, 3) reveal the enhancement mechanism of pre-oxidation on plasma nitriding; 4) obtain a novel rapid plasma nitriding technology enhanced by pre-oxidizing and its related basic theory. This project can not only solve the problem of low efficiency and long process cycle in plasma nitriding, but also have important reference value to improve other surface modification technologies.

离子渗氮是一种能显著提高金属零部件耐磨性和服役寿命的表面热处理技术，但渗速低和工艺周期长是制约该技术发展的难题。本项目从离子渗氮反应扩散的本质入手，拟采用预氧化在金属表面形成纳米氧化膜，达到提高比表面和界面能、促进活性氮原子吸附、降低反应扩散激活能、提高氮原子扩散速度等显著效果。研究内容包括：1）预氧化对表面氧化膜形成及演化的影响；2) 预氧化对表层特性、离子渗氮反应扩散激活能及氮原子扩散速度的影响；3）离子渗氮过程中预氧化膜演化及渗氮层生长热动力学；4）预氧化对离子渗氮效率及渗层组织性能的影响。预期研究目标为：揭示表面纳米Fe3O4氧化膜形成机理；探明预氧化对离子渗氮效率和渗氮层生长热动力学的影响规律；揭示预氧化对离子渗氮催渗作用机理；形成预氧化催渗快速离子渗氮工艺技术与基础理论。本项目不仅可解决现有离子渗氮技术存在的渗速低和工艺周期长难题，而且对提升其他表面改性技术具有重要参考价值。

金属零部件的失效通常起源于零部件表面或次表面，表面改性是提升金属零部件表面性能、解决上述失效问题的一个极其重要而有效的途径，受到国内外材料研究工作者的普遍重视。离子渗氮作为一种清洁环保的表面改性热处理技术，具有渗氮温度较低、渗层组织可控、绿色环保等诸多优点，得到表面改性领域的广泛认同。然而，现有离子渗氮技术存在的明显不足是：渗速低、工艺周期长。如何提高离子渗氮效率、解决现有技术存在的渗速低及工艺周期长的难题，具有十分重要的研究价值和研究意义。本项目旨在研究预氧化对离子渗氮的催渗效果及相关微观机理，项目主要研究内容为：预氧化过程中氧化膜形成及演化规律；预氧化对材料表层特性和离子渗氮反应扩散激活能及氮原子扩散速度的影响；3) 离子渗氮过程中预氧化膜的演化规律；预氧化对离子渗氮的催渗作用机理研究；5）预氧化对离子渗氮试样综合性能的影响。项目取得的主要研究进展、重要结果、关键数据及其科学意义简述如下：1）获得预氧化催渗快速离子渗氮创新表面改性技术，澄清相关基础理论，为工业化应用奠定了基础。部分成果已经在相关企业得到应用，起到了显著提高离子渗氮效率、缩短生产周期、提高表层综合性能的显著效果。2）探明预氧化工艺对氧化膜形成、演化和相关表层特性的影响规律，揭示表面纳米Fe3O4氧化膜形成机理，从而有利于更加生产情况选择预氧化条件；3） 探明预氧化对离子渗氮效率和渗层组织性能的影响规律，揭示预氧化对离子渗氮的催渗作用机理；2） 建立了预氧化催渗快速离子渗氮过程中渗氮层生长热动力学模型，弄清预氧化对离子渗氮反应扩散激活能、比表面和界面能量的影响。.项目完成了拟定的所有成果目标，且超额完成部分成果目标，具体为发表论文25篇，申请专利8件，其中授权专利4件。参加国内外学术合作交流及会议9次。.项目培养硕士研究生5人，博士研究生1人，其中4人获得国家奖学金。.申请人胡静教授依托项目成果获得了各级各类奖励6项。