《Surface and Coatings Technology》：Microstructural evolution and surface hardening of Fe-Mn-Al alloy through atmospheric pressure plasma jet nitriding
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本研究采用大气压等离子体喷射（APPJ）技术，以H?/N?混合气体对Fe-Mn-Al合金进行氮化处理，显著提升了其表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。通过XRD和TEM分析发现，处理后的合金形成双相结构（保留FCC相和新生的L1?相），其中功率（500W、550W、600W）影响相形成及性能优化。该技术为工业应用提供了环保高效的表面强化方案。
Fikiru Tafase Mosisa|Ting-Wen Lu|Yu-Lin Kuo|Jhao-Yu Guo
台湾国立科技大学机械工程系，台北，106335，中华民国
摘要
等离子体氮化是一种表面硬化技术，通过将氮扩散到金属材料表面来改善其性能，从而提高耐磨性和降低摩擦力。本研究探讨了采用常压等离子体喷射（APPJ）氮化处理后Fe-Mn-Al合金的机械性能和腐蚀行为。利用H?/N?气体混合物，APPJ工艺促进了合金表面氮化物的形成。最初，Fe-Mn-Al合金呈现出均匀的单相面心立方（FCC）结构。氮化处理后，出现了双相结构，由保留的FCC相和新形成的有序L1?相组成。APPJ氮化显著提高了合金的表面硬度、耐磨性、动态载荷性能和耐腐蚀性。随着APPJ功率的增加，这些改善效果更加明显，表明APPJ功率水平与氮在合金表面的扩散效果及氮化物形成之间存在密切关系。在500 W功率下，APPJ氮化形成了Al?Mn和Fe?N；而在更高功率（550 W和600 W）下，则主要形成Fe?N和Al，表明合金发生了分解。
引言
Fe-Mn-Al低密度钢是一种先进的高强度合金，其面心立方（FCC）基体结构为其在结构应用中提供了多种优势[1,2]。这些特性使得Fe-Mn-Al钢非常适合需要轻质、高强度和耐用性的行业[3,4]。发达国家是工业和制造业的核心区域，拥有大量大型机械、工具和钢结构[5][6][7]。这些结构在高温、高湿度和盐雾腐蚀的亚热带气候中容易受到损坏[8,9]，因此先进技术对于提高钢材的耐腐蚀性、确保其耐用性和结构完整性至关重要[10,11]。
表面硬化是提高低密度钢材耐磨性和耐腐蚀性的关键工艺，尤其是在高温高压环境下使用的工具和部件中[12][13][14][15]。通过形成硬化表层，表面硬化可以提升耐用性和化学腐蚀抵抗力，这对于保持表面光滑度和精度非常重要[16]。氮化硬化技术常用于飞机部件、轴承、汽车零件和涡轮系统元件的表面处理。该工艺的一个显著优点是不需要发生相变（如铁素体到奥氏体或奥氏体到马氏体[17]），因此可以在较低温度下进行氮化处理，且无需快速冷却即可实现硬化[18,19]。氮化层具有出色的硬度、优异的耐磨性和高温下的稳定机械性能，非常适合各种机械部件的表面硬化[20][21][22]。
等离子体是物质的第四态，由含有电子、离子和中性粒子的电离气体组成[23,24]。尽管整体呈电中性，但由于自由电子的存在而具有导电性[25]。经过数十年的研究，常压等离子体喷射（APPJ）已被证明是一种有效的表面处理方法，因为它们能产生大量在原子或分子层面起作用的活性物种[26]。使用APPJ束进行金属表面硬化具有能量集中传递和处理时间缩短等优点[27]。与传统工艺相比，常压等离子体氮化（APPN）更加环保，能耗更低，产生的废物也更少[28]。与传统氮化方法相比，常压等离子体氮化（APPN）具有显著的环境优势：气体氮化依赖有毒的氨气，而盐浴氮化则使用有害的氰化物/氰酸盐，这两种方法都对环境和健康构成风险[29]。相比之下，APPN使用氮等离子体，是一种环保的替代方案，避免了有害副产品的产生[30]。它保留了等离子体氮化的优点，同时提高了可持续性，使其成为更环保的表面处理方法[31]。此外，该方法消除了对有害化学物质和真空系统的需求，提高了安全性并简化了操作流程[25]。
迄今为止，关于氮化动力学的研究主要集中在加工参数如何影响固体中的氮扩散[32,33]，包括功率输入、基底温度、氮化处理时间和操作压力等关键因素[34]。在常压等离子体氮化（APPN）过程中，相的形成受到等离子体功率、气体成分和压力等因素的强烈影响，这些因素会影响等离子体化学性质和表面相互作用[35,36]。
尽管常压等离子体氮化在多种铁基金属上的应用已得到广泛研究，但其对Fe-Mn-Al合金的影响仍需进一步探索。本研究强调了APPN作为有效热化学表面处理方法的潜力，能够显著提高高性能合金的机械性能。研究表明，APPN显著改善了Fe-Mn-Al合金的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。研究重点关注了等离子体功率对氮化行为和合金机械性能的影响，特别是表面改性和氮化物相演变的过程。这些改善得益于硬化表面的形成，从而提升了机械性能和耐腐蚀性。这使得APPJ氮化成为汽车、航空航天和工具制造行业具有前景的热化学处理方法。
材料
矩形Fe-Mn-Al合金样品的尺寸为12 mm × 10 mm × 4 mm（长×宽×高），制备方法如先前报道[25,37]。通过X射线荧光（XRF）分析确定了合金的化学成分，结果显示铁（69.69%）、锰（25.05%）和铝（5.25%）的浓度。随后对样品进行了研磨和机械抛光，使用从#100到#2500不等的砂纸进行打磨
结果与讨论
我们之前的研究表明，APPJ氮化处理后Fe-Mn-Al合金的表面硬度得到了提升。这种改善与Fe?N、Al和Fe?Mn?等相的形成有关，揭示了氮化过程引起的结构变化[25]。氮化过程的动力学，特别是相的形成过程非常复杂，受多种因素影响。
结论
使用H?/N?气体混合物的APPJ在Fe-Mn-Al合金上形成了氮化物层。该氮化处理提高了合金的表面硬度、摩擦系数、耐磨性、动态冲击载荷能力和耐腐蚀性。XRD和TEM分析显示形成了氮化物化合物，改变了合金的原始晶体结构。氮化后的表面呈现出双相结构，Fe?N的形成显著影响了合金的性能
作者贡献声明
Fikiru Tafase Mosisa：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，方法验证，实验设计，数据分析，概念构建。Ting-Wen Lu：方法设计，实验设计，概念构建。Yu-Lin Kuo：项目监督，资源调配，项目管理，方法设计，实验设计，资金筹集，概念构建。Jhao-Yu Guo：方法设计，实验设计，数据分析，概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了台湾国家科学技术委员会（项目编号：109-2221-E-011-087-MY3）和智能制造创新中心的支持，该中心隶属于台湾教育部门（MOE）的高等教育Sprout项目下的特色领域研究中心计划。作者特别感谢Click Sun-Shine Corp. Taiwan公司提供的常压设备
