離子氮化原理

離子滲氮又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。輝光放電是當(dāng)氣體越過(guò)電暈放電區(qū)后，若減小外電路電阻，或提高全電路電壓，繼續(xù)增加放電功率，放電電流將不斷上升。同時(shí)輝光逐漸擴(kuò)展到兩電極之間的整個(gè)放電空間，發(fā)光也越來(lái)越明亮。當(dāng)電子能f提高，也就是增強(qiáng)電場(chǎng)的操作參數(shù)，則能使電暈放電過(guò)渡到輝光放電。

離子滲氮向工件表面滲入的氮原子，不是像一般氣體那樣由氨氣分解而產(chǎn)生的，而是被電場(chǎng)加速的粒子碰撞含氮?dú)怏w分子和原子而形成的離子在工件表面吸附、富集而形成的活性很高的氮原子。

離子滲氮時(shí)，工件放在爐內(nèi)的陰極盤(pán)上，接上電源抽真空，當(dāng)爐內(nèi)壓力降到6Pa左右時(shí)，充入氨氣，使?fàn)t內(nèi)壓保持在1.3×10²—1.3×103Pa范圍內(nèi)。由于爐內(nèi)壓力低，隨后又經(jīng)過(guò)加熱作用，進(jìn)入爐內(nèi)的氨氣將發(fā)生分解：2NH₃=N₂ 3H₂爐內(nèi)反應(yīng)所得到的氣體的體積分?jǐn)?shù)為25%N₂和75%H₂的低壓環(huán)境。

在以含氮?dú)怏w的低真空爐體內(nèi)的條件下，氣源通常采用純氨，也可采用分解氨。把金屬工件作為陰極爐體為陽(yáng)極，在陰極(工件)與陽(yáng)極(爐體)之間加上高壓(300～900V)直流電源后，稀薄氣體被電離并產(chǎn)生輝光放電，形成氮、氫陽(yáng)離子，在陰陽(yáng)極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工件表面至所需溫度。氮、氫等正離子在電場(chǎng)的加速下轟擊零件表面，產(chǎn)生很大熱量以加熱零件，同時(shí)使部分鐵原子濺射出來(lái)與氮結(jié)合生成FeN由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時(shí)由于吸附和擴(kuò)散作用，繼而分解出活性氮原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散而形成氮化層。其在工件表面形成滲氮層，主要有能量轉(zhuǎn)換、陰極濺射、凝附等具體過(guò)程的發(fā)生。

離子氮化，它早在1931年就已在實(shí)驗(yàn)室里取得成功并獲專(zhuān)利。其所運(yùn)用的輝光放電，是氣體放電的一種重要形式。低氣壓輝光放電的擊穿機(jī)制是，從陰極發(fā)射電子，在放電空間引形成相應(yīng)離子，由此產(chǎn)生的正離子再轟擊陰極使其發(fā)射出更多的電子。按其狀態(tài)，輝光放電又可分為前期輝光、正常輝光和異常輝光三個(gè)不同階段。

而大電流的穩(wěn)定輝光放電設(shè)備在制造技術(shù)在當(dāng)時(shí)有較大的困難；一直延遲到20世紀(jì)60年代初，人們?cè)谡莆蛰x光放電技術(shù)后，離子氮化才在少數(shù)國(guó)家生產(chǎn)中得到應(yīng)用。目前世界各國(guó)包括我國(guó)在內(nèi)，離子氮化生產(chǎn)已獲得迅猛發(fā)展。

離子氮化作為七十年代興起的一種新型滲氮方法與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮的特點(diǎn)是：

1）滲氮速度較快，可適當(dāng)縮短滲氮周期，離子氮化時(shí)間短，能縮短到氣體氮化時(shí)間的1/3～2/3。。

2）滲氮層脆性小，離子氮化表面形成的白層很薄，甚至沒(méi)有，另外引起的變形小，特別適宜于形狀復(fù)雜的精密零件。

3）可節(jié)約能源和氨的消耗量，電能消耗為氣體氮化的1/2～1/5，氨氣消耗為氣體氮化的1/5～1/20。

4）易于實(shí)現(xiàn)局部氮化，只要設(shè)法使不欲氮化的部分不產(chǎn)生輝光即可，非滲氮部位便于保護(hù)，采用機(jī)械屏蔽、用鐵板隔斷輝光，即可保護(hù)。

5）離子轟擊有凈化表面作用，自動(dòng)去除鈍化膜，不銹鋼、耐熱鋼材料無(wú)需預(yù)先去除鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮。

6）化合物層結(jié)構(gòu)、滲層厚度和組織可以控制。

7）處理溫度范圍較寬，即使在350℃以下也能獲得一定厚度的滲氮層。

8)勞動(dòng)條件有所改善，無(wú)公害、離子滲氮處理在很低的壓力下進(jìn)行，排出的廢氣極少。氣源為氮?dú)狻錃夂桶睔?，基本上無(wú)有害物質(zhì)產(chǎn)生。

9）可以適用于各種材料，包括要求氮化溫度高的不銹鋼、耐熱鋼，以及氮化溫度較低的工模具(工具鋼)和精密零件，而低溫氮化對(duì)氣體氮化來(lái)說(shuō)是相當(dāng)困難的。

離子氮化處理工藝：

處理溫度：閥板880～900^。C，閥座840～860^。C

處理時(shí)間：6～8 h

最大加熱速度：15℃/min

最大冷卻速度：18℃/min

反應(yīng)氣氛：N₂與H₂混合氣體，并適當(dāng)引入其他氣體，如氧等

氮?jiǎng)荩?6%～90%

工作氣壓：3999～5332 Pa

氣體流量：100～150 L/h

電流密度：3～7 mA/cm²

擬進(jìn)行離子氮化的零件必須經(jīng)過(guò)徹底的清洗，以免因油污、銹斑、揮發(fā)物等而引起電弧，損傷零件。零件在裝爐時(shí)，其間隙必須足夠大而均勻，裝載過(guò)密處往往會(huì)引起溫度過(guò)高。對(duì)局部氮化的零件，可在非滲部位用外罩(對(duì)凸出面而言)或塞子(對(duì)內(nèi)凹面或孔而言)屏蔽，以避免在該處起輝。裝爐時(shí)還要注意合理地分布測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕肌?/p>

此外離子氮化技術(shù)主要儀器就是離子氮化爐，通過(guò)離子滲氮可以使?jié)B氮的周期縮短60%～70%，簡(jiǎn)化工序，零件變形小，產(chǎn)品質(zhì)量好，節(jié)約能源，無(wú)污染，是近年來(lái)發(fā)展較快的熱處理工藝。離子氮化設(shè)備由氮化爐、真空系統(tǒng)、供氮系統(tǒng)、電源及溫度測(cè)控系統(tǒng)組成。氮化介質(zhì)一般采用氨或氮?dú)浠旌蠚怏w。離子氮化操作要求嚴(yán)格，否則易導(dǎo)致溢度不均勻和弧光放電。離子氮化開(kāi)始于30年代，到50年代僅用于炮管內(nèi)膛氮化。60年代推廣使用于結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼、球墨鑄鐵、合金鑄鐵、不銹鋼和耐熱鋼等?？呻x子氮化的零件有軋輥、鍛模、沖模、銑刀、塑料成形機(jī)螺桿、柴油機(jī)缸套等

當(dāng)代離子氮化技術(shù)中，單熱源的離子氮化是老的產(chǎn)品，已無(wú)法滿足產(chǎn)品要求爐溫的均勻性和穩(wěn)定性，必須要具有雙熱源的離子氮化設(shè)備才能滿足爐溫±5度且可以隨意控溫，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天軍工等重點(diǎn)領(lǐng)域。2100433B

概念

離子氮化對(duì)于球墨鑄鐵、合金鋼、不銹鋼、粉末冶金制品、鈦合金、高速鋼、工具鋼等均有顯著氮化效果。

組成

離子氮化爐由爐體、輸電裝置、真空獲得系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、溫度測(cè)量五部分組成。

1、爐體由爐蓋、筒體、爐底盤(pán)和底架組成，其中爐蓋、筒體、爐底盤(pán)夾層通冷卻水，爐內(nèi)設(shè)有不銹鋼，合金鋁雙層隔熱屏，爐體上設(shè)有雙層鋼化玻璃，以供離子氮化過(guò)程中觀察爐內(nèi)情況之用。

2、爐蓋上設(shè)有陰極輸電裝置兩套，帶熱電偶吊掛柱一套，其上裝有吊掛盤(pán)，用戶應(yīng)根據(jù)所處理零件設(shè)計(jì)吊具，通過(guò)吊具將工件吊在吊掛盤(pán)上。

3、爐體的真空獲得系統(tǒng)一般由兩臺(tái)旋片式真空泵及串有碟閥的管道系統(tǒng)組成，碟閥的作用是通過(guò)關(guān)閉或旋轉(zhuǎn)不同的角度調(diào)節(jié)抽氣量以維持不同進(jìn)氣量條件下的爐內(nèi)壓強(qiáng)，真空度的測(cè)量用配套的真空計(jì)讀出真空值。

4、爐體的供氣管進(jìn)口設(shè)在爐殼筒體上，氫定標(biāo)/氮定標(biāo)的轉(zhuǎn)子流量計(jì)各一只

5、熱電偶經(jīng)帶熱電偶吊掛柱插入爐內(nèi)，進(jìn)行模擬測(cè)量，由儀表記錄溫度，進(jìn)行P、I、D控溫。

為了縮短氮化周期，并使氮化工藝不受鋼種的限制，在近年間在原氮化工藝基礎(chǔ)上發(fā)展了軟氮化和離子氮化兩種新氮化工藝。

軟氮化實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼的氮原子滲入的同時(shí)，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。

1、軟氮化方法分為：氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類(lèi)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性氮、碳原子的氣氛中 進(jìn)行低溫氮、碳共滲，常用的共滲介質(zhì)有尿素、甲酰胺、氨氣和三乙醇胺，它們?cè)谲浀瘻囟认掳l(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生活性氮、碳原子?；钚缘⑻荚颖还ぜ砻?吸收，通過(guò)擴(kuò)散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。

氣體軟氮化溫度常用560-570℃，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時(shí)間常為2-3小時(shí)，因?yàn)槌^(guò)2.5小時(shí)，隨時(shí)間延長(zhǎng)，氮化層深度增加很慢。

2、氮化爐軟氮化層組織和軟氮化特點(diǎn)：鋼經(jīng)軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米的白亮層，它是由ε相、γ`相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，次層為的擴(kuò)散層，它主要是由γ`相和ε相組成 。