近期，中科院合肥研究院等離子體物理研究所等離子體應(yīng)用研究室倪國華團隊在大氣壓等離子體滲氮技術(shù)研究中取得新進展。該項研究實現(xiàn)了不銹鋼表面的快速滲氮，揭示了在大氣壓環(huán)境下非熱轉(zhuǎn)移弧等離子體滲氮新機制，為工業(yè)界不銹鋼表面硬度強化相關(guān)工藝提供了具有應(yīng)用前景的技術(shù)方案。相關(guān)成果以“N₂ /H₂ non-thermal transferred arc plasma nitriding treatment of stainless steel at atmospheric pressure”為題發(fā)表于國際期刊Plasma Chemistry and Plasma Processing上。

　　在不銹鋼表面滲氮產(chǎn)生Fe-N固溶體和氮化物擴散層，可顯著提高不銹鋼材料的耐磨和耐腐蝕性能。目前在工業(yè)界離子氮化工藝已得到了廣泛的應(yīng)用，但也存在著耗時、工藝復(fù)雜，或使用氨氣帶來環(huán)境污染等問題。因此如何采用大氣壓等離子體技術(shù)，實現(xiàn)操作簡單、綠色環(huán)保的快速滲氮處理，一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點和難點，具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。

　　課題組成員郭起家等人巧妙地應(yīng)用了非熱轉(zhuǎn)移電弧等離子體，通過在N₂工作氣體中混入不同比例的H₂, 實現(xiàn)了304不銹鋼表面的快速滲氮（圖1）。研究結(jié)果表明，在氫濃度為2%時不銹鋼表面硬度提升最大，由原來的200 HV_0.1增加到1200 HV_0.1。研究人員發(fā)現(xiàn)樣品表面硬度與NH濃度的變化趨勢一致（圖2），通過調(diào)控等離子體中NH含量，分析其與不銹鋼表面硬度的變化關(guān)系，認為NH自由基在滲氮中起到了關(guān)鍵作用，在等離子體作用下其吸附在試樣表面，分解成N原子和H原子，N原子會穿透試樣實現(xiàn)滲氮，進而達到表面硬度強化的效果。

　　該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、安徽省科技重大專項等相關(guān)項目的支持。

　　文章鏈接： http://link.springer.com/10.1007/s11090-020-10103-0 

　　圖1：N₂/H₂非熱轉(zhuǎn)移電弧等離子體滲氮裝置圖

　　圖2：H₂濃度對NH歸一化強度和鋼基體表面硬度的影響