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1、离子渗氮工艺原理 【2009-1-8】 一 钢的渗氮渗氮是把氮渗入钢件的表面，形成富氮硬化层的化学热处理过程。在工业生产中，常用的工艺方法有：气体渗氮、盐浴渗氮和离子渗氮。1渗氮工艺的特点1渗氮后的零件表面具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度和低的缺口敏感性。2渗氮温度较低，一般在 500-600，而且，渗氮层的高硬度可以由渗氮直接得到，不需要经过较高温度的加热和淬火。所以，渗氮工艺的变形是最小的，常常作为零件的最后一道工序。3渗氮层有较高的抗腐蚀性能。2渗氮工艺的化学过程渗氮和其他化学热处理工艺一样，也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。1分解渗氮介质通常为氨气通过热分解或其他方法，生成活性氮
2、原子。2吸收钢表面吸收氮原子，形成氮在铁中的固溶体和氮化物。3扩散氮从表面高浓度的饱和层向钢内层深处进行扩散，形成一定深度的渗氮层。3渗氮层的组织根据 Fe-N 状态图，渗氮层主要由 、， 、 四个相组成。1 相氮在 -Fe 中的间隙固溶体。最大溶解度为 0.1。2 相氮在 -Fe 中的间隙固溶体。3，相为一可变成分的间隙相化合物，含氮量在 5.7-6.1之间，成分符合 Fe4-N。4 相是含氮量变化范围相当宽的化合物，成分在 8.25-11.0之间变化。 相硬度高，脆性大。4合金元素的作用碳钢和合金钢中由于碳和合金元素的作用，也影响渗氮层的形成。碳的存在会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。钢
3、中大部分合金元素都能形成氮化物，按氮化物的稳定性稳定性越高，硬度也越高次序排列依次为：Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。所以，为了在表面得到高的硬度和耐磨性，必须向钢中加入能与氮形成稳定氮化物的合金元素。同时，V、W、Mo、Cr 等合金元素还能改善钢的组织，提高心部的强韧性。合金元素也会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。 二 离子渗氮工艺原理离子渗氮渗氮层的形成也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。但是，由于辉光放电的作用，其机理有所不同。在真空炉体内，工件接阴极，炉体接阳极，在阴阳极间施加数百伏的直流电压，产生辉光放电，使含氮的稀薄气体如氨气电离，形成等离子体。N+、H+离子在
4、阴极位降区被加速，轰击阴极表面，使阴极表面活化，并发生一系列反应。首先，离子轰击动能转化为热能，加热工件。其次，离子轰击打出电子，产生二次电子发射，同时，由于阴极溅射作用，工件表面的 C、O、Fe 等原子被轰击出来，Fe 与阴极附近的活性 N 原子或 N 离子结合形成 FeN 沉积在阴极表面，依次分解： FeNFe2NFe3NFe4N，并同时产生活性 N 原子，由于阴极由表及里的高 N 浓度差，活性 N 原子在一定温度下，向心部扩散形成渗氮层。 离子渗氮物理基础 【2009-1-8】 离子渗氮物理基础离子渗氮是在真空炉体内，通过稀薄气体的辉光放电，形成的由离子、电子和中性粒子所构成的等离子体中
5、进行的，所以，有必要了解有关的知识。一真空 真空是相对大气而言。所谓真空，是指在给定的空间内，气体分子密度大大低于周围大气压下的气体分子密度的状态。通常用真空度来衡量气体分子密度大小的程度，真空度常用压强单位来表示，真空度越高，则气体分子密度越小，也就是压强低，反之，真空度越低，则气体分子密度越大，也就是压强高。所以，真空度高和压强低是同义的。真空计量中，采用了 Torr托和 Pa帕等单位：1Torr1/760atm标准大气压 1Torr133.3Pa1Pa1N牛顿/m2 1Pa7.500610-3 Torr二 稀薄气体放电1等离子体等离子体是由离子、电子及中性粒子所构成的一种电离气体,整体显
6、电中性。等离子体中由于有大量的带电粒子,所以具有良好的导电性。等离子体中的带电粒子在外电场的作用下，向与自己电极性相反的电极做带有方向性的运动，使气体通导电流。等离子体化学反应比热化学反应更容易进行。2稀薄气体放电伏安特性为获得等离子体必须使中性粒子电离，离子渗氮的是利用稀薄气体放电而获得等离子体的。 在稀薄气体的真空容器内的两个电极施加电源电压到 c 点时，阴阳极间电流突然增大，阴极部分表面开始产生辉光，阴阳极间电压下降。随后电源电压增大，阴极表面产生的辉光面积增大，但阴阳极间电压不变，至 d 点，阴极表面完全被辉光覆盖。此后，电流增加，阴阳极间电压随之增加。超过 e 点，电流剧烈增大，阴阳
7、极间电压突降，辉光熄灭，阴极表面出现弧光放电。c 点对应的电压称为辉光点燃电压。从 c 点至 d 点，称为正常辉光区，从 d 点至 e 点，称为异常辉光区。离子渗氮工作在异常辉光区，在此区辉光均匀覆盖工件表面，且可通过改变阴阳极间电压及阴极表面电流密度，实现工艺参数调节。气体性质、电极材料及温度一定时，辉光点燃电压与气体压强和阴阳极距离的乘积有关，离子渗氮的点燃电压为 400-500V。3辉光放电辉光放电气压一般为数十帕至数千帕，电流密度为数毫安/平方厘米, 电压数百伏，是高电压小电流密度的放电。1辉光放电的发光分布辉光是原子由激发状态回到基态，或由电离态变成复合态时放出的电磁波。不同气体的电
8、磁波的波长不一样，辉光颜色也就不同。辉光从阴极到阳极的分布是不均匀的，从阴极到阳极分为阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区等几个区域，各区域的辉光亮度和电压位降都不一样。2阴极位降区阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区三区宽度之和总称为阴极位降区 dk, 阴阳极间电压主要降落在阴极位降区之内。阴极位降区 dk 与电压、气压、气体成分有关。阴极位降区 dk 与气压呈反比pdk常数，它是维持辉光放电不可缺少的区域，若阴阳极距离 ddk，辉光就熄灭。利用此原理，可以对阴极进行间隙保护。3空心阴极辉光放电阴极位降区 dk 加上负辉区的长度称为阴极放电长度 d 辉。两
9、个阴极都产生辉光放电的情况下，当两个阴极距离 d1，22 dk 时，辉光熄灭；两个阴极距离 d1，22d 辉时，两个阴极位降区互相独立，互不发生影响，辉光放电正常进行；当两个阴极距离 d1，22d 辉时，两个负辉区合并，电流密度增加，辉光强度增强，这种现象称作空心阴极效应。在离子渗氮工艺操作时，常常通过调整气压 p 等工艺参数，来调整 d 辉，控制空心阴极效应产生。4弧光放电弧光放电一般电压为数十伏，电流密度为数百安/平方厘米，是低电压大电流密度的放电。放电发生在阴极局部。弧光放电形成的原因主要有热电子发射和场致电子发射。离子渗氮工艺 【2009-1-8】 一离子渗氮工艺参数1渗氮温度渗氮温度
10、是重要的工艺参数，温度的高低直接影响渗氮速度硬度及渗氮层组织。在一定渗氮温度范围内，温度越高，氮原子迁移及扩散的能力越强，渗氮速度越快，渗氮层也就越厚。不同材料渗氮温度有一最佳值，在此温度下，渗氮层硬度最高。2渗氮时间渗氮层与渗氮时间呈抛物线关系。3气体成分生产上常用的离子渗氮气体主要有氨气NH 3N 2+H2及热分解氨。在离子渗氮气体的基础上加一定比例的含碳气体如酒精丙酮的蒸发气，可进行离子 NC 共渗离子软氮化。4气压 气体压力影响辉光放电特性，气压高，阴极位降区 dk小，辉光层薄；气压低，阴极位降区 dk大，辉光层厚。一般离子渗氮气压在数百 Pa。对有孔窄槽的工件，要注意调整气压，改变阴
11、极放电长度 d 辉 ，避免出现空心阴极效应。5电参数离子渗氮的电压和电流密度主要取决于渗氮温度的高低及气压等，一般在保温阶段电流密度为 0.5-5mA/cm2,电压 600-700V。二适于离子渗氮的材料1碳钢碳钢的渗氮效果较差，渗层硬度低。所以，一般采用离子 NC 共渗离子软氮化，提高表面硬度，满足要求不高的表面耐磨零件如汽车摩擦片。 2合金结构钢典型的渗氮合金结构钢有 38CrMoAl42CrMo40Cr35CrMo20CrMnTi20Cr50CrVP20 等材料,通过渗氮,得到高的表面硬度耐磨性和抗疲劳性能。广泛地应用于齿轮轴套等机械零件及塑料模具。合金结构钢的预先热处理一般为调质处理，
12、渗氮温度必须低于调质回火温度，保证心部强度不会降低。3工模具钢热作模具钢 3Cr2W8VH138407 等材料制做的热作模具如压铸模挤压模等经过渗氮后，大大提高耐磨性疲劳强度抗蚀性及减小粘附能力。高速钢及 Cr12MoV高淬高回等材料制做的刀具冷作模具及工具，经过渗氮处理，可大大提高使用寿命。4.铸铁离子渗氮对于合金铸铁和球墨铸铁也有广泛应用。内燃机曲轴钢套等零件离子渗氮后有良好的效果。5. 不锈钢离子渗氮能够大幅度提高 Cr13 型和 1Cr18Ni9Ti 等不锈钢的硬度和耐磨性。三离子渗氮工艺的几个问题1渗氮工件的温度测量普通热处理设备是利用电热体发热加热工件，炉膛内温度基本一致，测温热电
13、偶的温度也能代表工件温度。离子渗氮工件是靠自身辉光放电加热，而且由于工件带阴极电位，热电偶也不能与工件直接接触，所以，测温热电偶的温度与工件温度往往不一致。炉内工件越少，热电偶距离工件越远，热电偶的温度与工件温度相差越大。实际工艺操作时，经常采取目测温度模拟测温等方法，弥补测温不准确的问题。2温度均匀性离子渗氮工件是靠自身辉光放电加热，同一炉的不同工件，质量不同，表面积不同，受热也不同。所以，工件温度可能不均匀。实际工艺操作时，同一炉工件相差不要太悬殊。要考虑工件的装炉方式，质量大，表面积小的工件受热条件差，温度可能偏低，装炉时，放在阴极盘的内圈或下部，必要时，加适当的辅助阴极。3带有小孔、窄
14、缝工件的处理带有小孔、窄缝的工件，容易产生空心阴极效应，导致局部电流密度过大，温升过高而产生弧光放电，工艺不能进行。最好将小孔、窄缝屏蔽堵或盖，如果不易屏蔽，则必须调整气压，来调整阴极放电长度 d 辉 ，避免产生空心阴极效应。4减小渗氮工件变形的措施离子渗氮工件的变形很小，一般可以满足工件的精度要求。对于精度要求很高的工件，可以采取以下措施，减小变形：1缓慢升温2在精加工前，增加一道失效处理工艺，消除冷加工应力。四常用钢离子渗氮工艺材 料 原始组织 离子渗氮结果深度范围类别序号钢 种预先热处理硬度HB表面硬度HV5化合层m总深mm常用温度范围正火 180 550 1 20Cr调质 200 55
15、0 正火 180 650 2 20CrMnTi调质 200 600 3 40CrNiMo 调质 220 550 合金结构钢4 40Cr 正火 200 500 0.20.5520550调质 220 500 正火 200 850 5 30CrMoAl调质 210 800 渗氮钢 6 38CrMoAlA 调质 240 950 0.300.50520550调质 300 850 0.150.30工模具钢7 3Cr2W8V淬火+回火HRC45 1000 0.100.25540550【打印】 【关闭】 离子渗氮工艺质量检验 【2009-1-8】 1 渗氮层厚度 渗氮层包括化合层和扩散层，渗氮层厚度和时间呈抛物线关系。常用金相法和硬度法测量渗氮层厚度。1金相法将金相试样磨制，经过试剂化合层用 2-4硝酸酒精溶液，扩散层用 5苦味酸酒精溶液腐蚀后，用金相显微镜放大 100-200 倍测量，从表面测至与基体有明显界限为止，其长度即为渗氮层厚度。2硬度法用 100g 负荷的维氏硬度计从表面至心部垂直打硬度，打到高于基体硬度 30-50Hv 处,从表面至此处的距离做为渗氮层厚度。2 渗氮层硬度渗氮层的表面硬度用 5-10Kg 负荷的维氏硬度计测量，渗层厚度 0.
