近期，中科院合肥研究院等离子体物理研究所等离子体应用研究室倪国华团队在大气压等离子体渗氮技术研究中取得新进展。该项研究实现了不锈钢表面的快速渗氮，揭示了在大气压环境下非热转移弧等离子体渗氮新机制。相关成果以“N2 /H2 non-thermal transferred arc plasma nitriding treatment of stainless steel at atmospheric pressure”为题发表于国际期刊Plasma Chemistry and Plasma Processing上。
在不锈钢表面渗氮产生Fe-N固溶体和氮化物扩散层，可显著提高不锈钢材料的耐磨和耐腐蚀性能。目前在工业界离子氮化工艺已得到了广泛的应用，但也存在着耗时、工艺复杂，或使用氨气带来环境污染等问题。因此如何采用大气压等离子体技术，实现操作简单、绿色环保的快速渗氮处理，一直是国内外学者的研究热点和难点，具有重要的应用价值和现实意义。
课题组成员郭起家等人巧妙地应用了非热转移电弧等离子体，通过在N2工作气体中混入不同比例的H2, 实现了304不锈钢表面的快速渗氮（图1）。研究结果表明，在氢浓度为2%时不锈钢表面硬度提升最大，由原来的200 HV0.1增加到1200 HV0.1。研究人员发现样品表面硬度与NH浓度的变化趋势一致（图2），通过调控等离子体中NH含量，分析其与不锈钢表面硬度的变化关系，认为NH自由基在渗氮中起到了关键作用，在等离子体作用下其吸附在试样表面，分解成N原子和H原子，N原子会穿透试样实现渗氮，进而达到表面硬度强化的效果。该研究成果对在大气压环境下不锈钢表面的快速渗氮处理，提供了具有应用前景的技术方案。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽省科技重大专项等相关项目的支持。
文章链接： http://link.springer.com/10.1007/s11090-020-10103-0
图1：N2/H2非热转移电弧等离子体渗氮装置图
图2：H2浓度对NH归一化强度和钢基体表面硬度的影响