钽制微孔超薄材料离子氮化研究

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喷丝头是化纤湿法纺丝的关键部件,其性能好坏直接影响到纺丝质量、劳动生产率、成本等多项经济指标,是纺织机市场竞争力的重要标志之一。以钽代替金铂制造喷丝头可大幅度降低纺织成本。但是钽喷丝头的硬度较低,纯钽的显微硬度为100~140 HV,而铂金为200~300 HV,这造成了钽制成微孔超薄材料容易出现表面精密微孔的磨划而报废等问题,制约钽制微孔超薄材料在化纤工业中的应用。为解决钽制微孔超薄材料硬度不足的问题,常用方法是在其表面形成一层钽酸锂膜,或沉积类金刚石膜等技术来解决这一问题。但硬质膜覆于软基体上必然带来结合问题,且成膜厚度不易控制。离子氮化是一种在金属表面形成无膜基结合问题、硬度高且耐磨的表面处理技术。本文主要对比研究钽制微孔材料在不同气氛条件下传统直流离子渗氮(DCPN)和活性屏离子渗氮(ASPN),通过观察其表面形貌、相组成,测量表面硬度、断裂韧性,并评价其在10%H2SO4溶液中的抗腐蚀能力,得出以下结论:(1)钽制微孔超薄材料在单一气体NH3和NH3+Ar混合气中DCPN和ASPN研究发现:在NH3和NH3+Ar气氛中DCPN氮化后,在钽表面都形成以TaN相为主的渗氮层;而ASPN在NH3渗氮只有在较高温度下形成含Fe3N、Ta2N和Ta N0.04相的渗氮层。加Ar气氛下的ASPN试样表面较低温度下也发现Fe3N相。所有氮化试样的表面硬度较基体都有不同程度的提高。DCPN氮化后试样的表面硬度最高,达1039.2 HV1.0 kg。DCPN比ASPN的硬化效果更加明显,但韧性下降严重。(2)DCPN在不同N2+H2氮化气氛(N2:H2为3:1、2:1、3:2、1:1、2:3、1:2、1:3)中研究发现:所有气氛DCPN氮化后渗氮层以Ta2N相为主,表面硬度都有不同程度提高。其中,N2:H2=3:1氮化试样表面硬度最大,达519 HV1.0 kg。通过N2:H2=3:1氮化试样在10%H2SO4溶液中的腐蚀性能测试发现,氮化后耐腐蚀性能没有降低。
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