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1、高温碳氮共渗又叫做氰化。由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主, 形成含氮的高碳奥氏体，淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入, 使共渗速度比渗碳快，保温46h可得到 0.5 0.8mm的渗层， ? 同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体晶粒不会粗大，所以钢件碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为西针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但一般碳氮共渗层比渗碳层浅，所以一般用于承受载荷较轻，要求高耐磨性的零件。低温氮碳共渗的温度较低，这时碳原子的扩散能力较弱，且铁素体
2、溶碳能力很低, 是以渗氮为主，形成氮碳化合物层。由于渗层硬度比渗氮层低，所以又称软氮化。由于碳的促进作用,软氮化的渗速比渗氮快得多。只要保温4 6h 就可形成0.15 0.25mm的共渗层，大大缩短了共渗时间。软氮化的渗层除了表面的氮碳化合物层( 白亮层 ), 往里还有一定深度的扩散层，由氮化物和含氮铁素体组成，所以渗层硬度过渡较氮化层平缓，脆性较少。白亮层硬度虽比渗氮层稍低，但仍有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度。低温氮碳共渗处理温度低、时间短、变形小，常用碳氮共渗温度是840-870. 氮碳共渗在540-650,适用如碳钢 .不锈钢的软氮化离子渗氮技术培训教材（二 OOO 年修订本）武汉市
3、等离子体技术研究所二 OOO 年十一月目 录绪言 2 第一章真空的基础知识4 第一节真空及真空的概念 4 第二节真空度的单位和真空区域的划分 4 第三节真空的测量 5 第四节真空的获得 6 第二章离子渗氮的理论基础及离子渗氮理论6 第一节等离子体的基础知识 6 第二节气体放电的伏安特性 7 第三节离子渗氮理论及离子渗氮的特点 10 第三章离子渗氮设备13 第四章离子渗氮工艺13 第一节离子渗氮材料 13 第二节离子渗氮工艺参数及其对渗层组织的影响 14 第五章离子渗氮的工艺过程19 第六章离子渗氮层的组织特征、质量检验和常见缺陷25 第一节离子渗氮层的组织特征 25 第二节离子渗氮层的质量检验
4、 26 第三节离子渗氮层的常见缺陷 26 绪 言离子渗氮法是由德国人B.Berghaus 于 1932 年发明的。该法是在0.110Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极， 被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等进行氮化处理。离子氮化法与以往的靠分解氨气或使用氰化物来进行氮化的方法截然不同，作为一种全新的氮化方法，现已被广泛应用与汽车、机械、精密仪器、挤压成型机、模具等许多领域，而且其应用范围仍在日益扩大。离子氮化法具有以下一些优
5、点：1、由于离子氮化法不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行氮化处理，所以工作环境十分清洁而无须防止公害的特别设备。2、由于离子氮化法利用了离子化了的气体溅射作用，因而与以往的氮化处理相比可显著的缩短处理时间（离子氮化的时间仅为普通气体渗氮时间的1/31/5 ）。3、由于离子氮化法利用辉光放电直接进行加热，也无需特别的加热和保温设备，且可以获得均匀的温度分布，与间接加热方式相比加热效率可提高2 倍以上， 达到节能效果 （能源消耗仅为气体渗氮的40%70% ）。4、由于离子氮化实在真空中进行，因而可获得无氧化的加工表面也不损害被处理工件的表面光洁度。 而且由于是在低温下进行处理，被
6、处理工件的变形量极小，处理后无需再进行加工，极适合于成品的处理。5、通过调节N、 H、X等气体的比例，可自由地调节化合物层的组成，从而获得预期的机械性能。6、离子氮化从380起即可进行氮化处理，此外， 对钛等合金特殊材料也可在850的高温下进行特殊的离子氮化处理，因而适应范围十分广泛。7、由于离子氮化是在低气压下以离子注入的方式进行，因而耗气量极少（仅为气体渗氮的百分之几），可以大大降低处理成本。尽管离子渗氮技术的研究早在上世纪三十年代就开始了，但直至1967 年，这一技术才达到工业实用阶段。 六十年代末期， 我国开始了离子渗氮工艺和设备的研究，进而由试制到生产应用并创新发展。目前，我国在离子
7、渗氮某些理论和技术方面已处在世界领先水平。离子渗氮技术应用的迅猛发展得益于这一工艺自身的诸多特点。离子渗氮的应用日益广泛，应用对象从碳钢到合金钢，从工具钢到不锈钢，从铸铁到铸钢无所不及，现在又扩展到钛合金和粉末冶金件的表面强化。随着人们对这一工艺的认识进一步深入，其应用前景将更加广阔。目前离子渗氮还与其他工艺方法相互渗透，相互补充，进一步扩大了其应用领域。离子渗氮技术是一门涉及到真空、物理、化学、电子技术及材料工程等多个领域的边缘学科，因此， 要全面掌握这门技术具有一定的难度。本教材作为离子渗氮技术的培训教材，为求通俗易懂，并侧重于工艺。本教材主要面向实际操作人员，也可供热处理技术人员参考，部
8、分有一定深度的章节有益于拓宽知识面，读者可酌情选读。限于水平有限， 错误之处恳请批评指正。第一章真空的基本知识离子渗氮（俗称离子氮化）是在低真空（2000Pa ）含氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的表面化学热处理工艺。为了合理地选择工役，正确地进行工艺操作，恰当地调节控制、乃至改造研制离子渗氮设备，就必须掌握一些真空技术（如真空的物理概念、真空的获得与度量方法等）的基础知识。第一节真空及真空度的概念在真空技术中， 把低与一个大气压的气体状态，统称为真空。与正常的大气压相比，这是一种较稀薄的气体状态。真空中残存气体的稀薄程度就是真空程度的高低，即真空度。第二节真空度的单
9、位和真空区域的划分一、真空度的单位依据真空度的定义，衡量真空度高低最直接的物理量应是每单位体积中的分子数，但由于历史和技术上的原因，真空度的高低是用被抽空中残存气体的绝对压强来表示的。“压强”是指单位面积容器壁上所承受的压力，它是目前国际上通用的表示真空度的物理量，1958 年第一届国际技术会议曾建议用“托”（Torr ）作为测量真空度的单位，定义为“1Torr是 1个大气压的1/760”，因 1 个大气压为760mmHg ， 故 Torr 可以与 mmHg 通用。国际单位制 （SI）中规定压强的单位为（Pa），帕（ Pa）是牛顿 / 米2（ N/m2）的专门名称。目前，包括我国在内的许多国家
10、已逐步用Pa 取代 Torr 作为真空压强的标准基本单位。真空度越高，则气体的压力越低，炉内气体分子数目也越少，反之，气体压力越高，意味着真空度越低。可见，压强的大小与真空度的高低成反比。在各种文献中，压强的单位除了Pa和 Torr 外，还有标准大气压、bar 、kgf/cm2。几种常用单位之间的换算关系见（式1-1 ）。1Torr=133.3Pa 1Pa=75 10-3Torr 1Torr=1mmHg1Torr=1/760大气压（式 1-1）二、真空区域的划分真空区域的划分方法很多，目前，我国将真空区域划分为：低真空、中真空、高真空和超高真空。各真空区域所对应的真空值分别为：低真空： 105
11、102Pa（7601Torr ）中真空： 10210-1Pa（110-3Torr ）高真空： 10-110-5Pa（10-310-7Torr ）超高真空： 10-5Pa（10-5Torr ）在不同的真空区域内分子运动的物理现象是不同的。离子渗氮是在低真空中进行的，其压力范围通常为7103Pa。第三节真空的测量一、真空测量的概念测量低于大气压的气体压强的工具称为真空计。真空计可以直接测量气体的压强，也可以通过与压强有关的物理量来间接测量压强。前者称为绝对真空计，后者称为相对真空计。二、常用真空计简介真空计的种类繁多，下面简要介绍一下目前国内离子氮化设备中常用的几种真空计。1. 压缩式真空计压缩式
12、真空计又称麦克劳真空计，简称麦式真空计。麦式真空计属绝对真空计的范畴。其优点在于测量准确性高，可作为真空计量的标准器，其缺点是使用不够方便、反应缓慢、 不能连续测量。2. 电阻式真空计电阻式真空计系利用真空系统中分子数与传导热量有关的原理制造作而成的电阻式真空计属于相对真空计的范畴。电阻式真空计的优点在于结构简单、能连续测量、 可以测量总压强、使用方便（可用导线进行远距离测量） 。缺点在于即该类型真空计的测量值与被测量气体种类有关，这是因为该类型真空计出厂时大多是利用空气标定的，由于离子渗氮炉中氢的存在，氢的热导率与氮、空气等的热导率相比相差太大，故所测真空度值误差较大。但由于该类真空计实用方
13、便、读数直观，勇于测量炉体的极限真空度和压升率准确可靠，因而仍然是我国大多数企业的首选产品。第四节真空的获得真空泵真空泵是产生、 改善和维持真空的装置。依据其获得真空的工作原理不同，可划分为多种类型。离子氮化炉中所使用的通常是2X系列旋片式机械真空泵。表1-1 中列出了其中几种常用规格的主要技术性能指标，供参考。表 1-1 型 号2X-8 2X-15 2X-30 2X-70 在 0.1Mpa 压强时的抽气速率（L/s ）8 15 30 70 极限真空度（ Pa）6.710-2转速（ r/min ）320 320 315 300 电机功率（ kW ）1.1 2.2 4 7.5 进气口径（ mm
14、）50 50 63 80 排气口径（ mm ）50 50 65 100 用油量（ L）2.0 2.8 4.2 5.2 外型参考尺寸（ mm ）7874315407874315409326486301150830810参考重量（ Kg）165 190 396 665 第二章离子渗氮的理论基础及离子渗氮理论第一节等离子体的基础知识离子渗氮是在真空炉体内，通过稀薄气体放电，形成由离子、 电子和中性粒子所构成的局部电离状态（即等离子体）中进行的，因此，了解等离子体的产生、放电特性是非常必要的。一、等离子体的基础概念所谓等离子体是指一种电离气体，是由离子、 电子和中性粒子所组成的集合体，整个显中性，它是
15、一种由带电粒子组成的电离状态，称为物质的第四状态。二、等离子体的获得要获得等离子体必须使中性粒子电离，而使中性粒子电离的方法有多种，以下列出了其中的三种方法。1、低气压气体放电获得等离子体。离子氮化炉就是利用这种方法。2、利用高能粒子的方法。如核聚变所用的方法。3、利用电磁波能量的方法。如用X射线、 射线使气体电离。三、等离子体的性质1、等离子体在宏观上是电中性的等离子体是电离了的气体，它由电子、 离子和中性粒子三种成分组成。其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是点中性的。2、等离子体具有很高的导电率，等离子体在宏观上虽然是电中性，但由于体系中包含有大量的带电粒子（电子和离子），而且
16、浓度很高，所以具有很好的电导性。3、等离子化学反应比热化学反应容易进行等离子化学反应的特征是热力学上稳定的激发态和离子态，这种反应大多数活化能是很低的，例如在离子分子反应中大多数场合活化能为零，使其反应易进行，变成受扩散支配的反应。第二节气体放电的伏安特性由中性原子、分子组成的气体，一般情况下是不导电的。由于自然界存在的各种辐射（宇宙射线、紫外线、放射性元素产生的 射线等）使气体电离，出现了微量原始电荷（原始载流子） 。在近地面的大气中其浓度约为1000 离子偶 /cm3。于是在直流高压电场下，低压（稀薄）气体中的电子被加速向阳极运动，并碰撞气体原子、 分子，使之不断被电离产生新电子、离子自激（或次级）载流子。上述过程中产生的正离子在电场加速下轰击阴极，造成二次电子发射并维持放电过程，于是，气体就具备了导电性能。随着放电电流的加大，放电逐渐增强，从汤生德放电过渡为辉光放电、弧光放电。这后两种放电就是所谓“自持”放电，即在没有外电离源情况下也能维持的放电。测量气体放电时两极间电压与电流关系的装置（如图
