化学浸镀预处理辅助作用下纯铝表面气体渗氮行为及机制

Nitriding is an important method to improve the surface properties of aluminum and aluminum alloy. However, the process is usually restricted by the surface oxidation. In this project, chemical dip plating will be used as pretreatment to improve the nitriding process by removing the dense oxide film and by the formation of a metallic protection layer. For this aim, the dip plating layer with various metal elements are planing to prepare on the pure aluminum materials. Additionally, the effect of dip plating process on the plating layer structure and existence situation of oxide film is ready to study. Furthermore, the diffusion and phase transition of nitrogen atom, including structure evolution of nitrided layer, growth kinetics of nitrided layer, diffusion coefficient and activation energy of nitrogen and properties of nitrided layer in pure aluminum treated by dip plating pretreatment are the theme of this project. Simultaneously, the effect of process on the diffusion and phase transition are studied. Through these studies, a theoretical model for the diffusion and phase transition of nitrogen atoms can be set up. Moreover, relationship between process, structure and properties can be build. Most importantly, the gas nitriding behavior of pure aluminum assisted by dip plating pretreatment and its mechanism can be clarified. In summary, this project will provide a new approach and its theory evidence for improving the aluminum nitriding process.

渗氮是提升铝及铝合金表面性能的重要手段，但其过程往往受到铝材料表面易氧化问题的限制。本项目拟将化学浸镀做为铝材料渗氮前的预处理，通过这种方法去除铝表面致密的氧化膜，并同时形成其它金属的保护层以防止重新氧化，期望以此来改善后续的渗氮过程。为此，项目拟在纯铝表面制备出多种金属元素的浸镀层，研究浸镀工艺对镀层结构和自然氧化膜去除、再生长的影响；着重探讨经预处理后的样品在气体渗氮过程中氮原子的扩散与相变，包括渗层组织结构演变规律、渗层生长动力学、氮原子扩散系数与扩散激活能以及渗层的性能等，并分析工艺对这些扩散与相变行为的影响。通过这些研究，构建氮原子扩散与相变的理论模型，建立工艺、结构以及性能之间的关系，从而阐明浸镀预处理辅助作用下纯铝材料气体渗氮行为的规律及机制。项目研究结果有望为改善铝的渗氮效果提供新的思路及其理论依据。

渗氮是提升铝及铝合金表面性能的重要手段，但其氮化层却较难形成或很难应用，存在如氧化膜阻碍氮原子扩散、渗层性质与基体不兼容导致易脱落等问题。本项目拟将化学浸镀和表面机械纳米合金化这两种方法做为铝材料渗氮前的预处理，通过这两种方法去除铝表面致密的氧化膜，并同时形成其它金属的保护层以防止重新氧化，期望以此来改善后续的渗氮过程。为此，项目采用这两种方法在铝材料表面制备出不同结构和形貌的铁层，重点研究了两种预处理工艺对铝材料气体渗氮过程中氮原子的扩散与相变，包括渗层组织结构演变规律、渗层生长动力学、氮原子扩散系数与扩散激活能以及渗层的性能等的影响。经过系统研究，获得如下主要结果：（1）通过配制过饱和FeCl2·4H2O溶液，采用化学浸镀方法并优化工艺可在纯铝表面获一层约为20μm厚的均匀连续铁镀层，其晶粒尺寸约为3-5μm。对浸镀处理样品进行不同温度的气体渗氮处理后，400oC渗氮样品改性层结构为Fe4N+α-Fe(N)/α-Fe(N)+α-Fe，450oC与500oC渗氮样品改性层结构均为Fe2-3N/Fe4N，550oC、600oC及620oC渗氮样品改性层结构均为单一的Fe2-3N相。样品表层的硬度随着渗氮温度的升高而增大，表层硬度值最高可达546.7HV；（2）采用表面机械纳米合金化的方法处理1h后可在6061铝合金表面制备出一层40-65μm厚的铁合金化层，其晶粒尺寸约为15nm。对经铁合金化处理后的6061铝合金进行不同温度的气体渗氮处理，发现在450oC及550oC条件下渗氮所得改性层相结构均为Fe2-3N/Fe(N)，而经640oC渗氮后的改性层结构为Fe2-3N/Fe2Al5，改性层的形成过程主要受扩散与相变控制，在低氮化温度下其结构主要受Fe-N扩散体系控制，在高氮化温度下，Fe-N和Fe-Al扩散系统共同起作用。两种工艺所获得的渗层均具有较高的硬度、良好的结合力、优异的界面相容性，较以往的渗氮方法具有明显的改进性。本项目研究结果为改善铝的渗氮效果提供新的思路及其理论依据。