中文摘要：

传统气体氮碳共渗时间长（1-4小时），工作温度高（520-580摄氏度），是一种高能耗的加工方法。钢在溶液中快速微弧氮碳共渗技术具有处理时间短（5-15分钟），工作温度低（低于50摄氏度），与环境兼容性好（溶液为弱碱性）的特点，是一种高效、节能、环保的新型表面处理技术。探讨其机理是推动该技术开发应用的关键步骤。本项目旨在解决微弧作用过程中氮、碳活性粒子在溶液/钢界面的形成、吸附、扩散及其化合物的形核与长大，采用热力学和动力学的方法，建立钢在溶液中快速微弧氮碳共渗的机理模型，在氮、碳活性粒子形成和吸附过程中用拉曼光谱、核磁共振、紫外光谱、红外光谱、XPS、AES、EPMA等分析和表征其化学态的演变及浓度变化特征，结合TEM、SEM、EDS研究氮、碳活性粒子在钢表面的扩散及其化合物的形核与长大，为钢在溶液中快速氮碳共渗技术的应用奠定基础。

结论摘要：

溶液中微等离子体氮碳共渗技术是在一个开放的大气环境下、特定的电解液中通过电化学、热化学及等离子体化学的共同作用，在金属表面获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗层。整体工件受热轻微，且可以在完成氮碳共渗处理后直接淬火。由于该技术有处理时间短、效率高、处理工艺简单、试用范围广、试样前预处理简单、工艺设备简易、对环境无污染等优点，是一种很有应用前途的表面处理技术。本文研究了Q235钢和20CrMnTi在尿素电解液中发生等离子体电解氮碳共渗处理时，等离子体的形成、吸附及其在渗层中的扩散过程，并对渗层的性能进行了测量和讨论。依据溶液微弧等离子体电解氮碳共渗试验时的电流电压变化和实验现象，用相机拍摄了溶液中微弧等离子体氮碳共渗试验弧光瞬间的变化过程，结合紫外光谱仪(UV)，X射线光电子能谱(XPS)，电子激发俄歇电子能谱(AES)，拉曼光谱（Raman spectroscopy）、红外光谱（FTIR）对电解液和试样表面纳米级范围内粒子心态的分析结果，研究氮、碳活性粒子的形成和吸附过程。通过扫描电子显微镜(SEM)，电子能谱仪(EDS)，电子探针显微分析仪(EPMA)，X射线衍射仪(XRD)，研究氮、碳活性粒子的扩散过程和分析了渗层中C、N元素的变化，并建立等离子体的运动模型。通过粗糙度仪，显微硬度仪，及销盘式摩擦磨损仪测试了氮碳共渗层的粗糙度、硬度和耐磨性的变化。研究结果表明由尿素组成的电解液被逐渐分解为由碳、氮、氧组合成的共轭双键，渗层边缘主要为由碳、氧、氮、铁等元素组成的金属碳化物、C-C烃健、金属氮化物和金属氧化物。溶液微弧等离子体电解氮碳共渗过程的离子运动模型，主要包括四个阶段，分别为气泡形成阶段、气泡长大阶段、弧光形成阶段和弧光连续阶段。渗层厚度随着处理时间和工作电压的增加而增加。随着处理时间的延长，工件表面的粗糙度变大，形成了类似火山状的形貌。渗层从表面到基体依次为疏松层、扩散层、过渡层、基体，且C、N的含量先增多后减少。硬度的变化趋势也先增大后逐渐减小，其中硬度最大值为460HV，而基体的硬度仅为170HV。经过溶液微弧等离子体电解后的试样表面的粗糙度明显变大，试样的表面硬度升高很多，经过溶液微弧等离子体电解氮碳共渗处理后的试样，表面耐磨性得到明显改善，磨损机理由粘着磨损变为以磨粒磨损为主，粘着磨损为次要磨损的混合型磨损。