离子氮化技术的特点来源: 发布时间: 2014-04-21 15:06 39 次浏览 大小: 16px 14px 12px离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求 离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求 离子渗氮化合物层常遇到的氮化物相有两种：γ，-Fe4N 相和 ε-Fe2-3N 相，离子氮碳共渗( 俗称软氮化)还可能出现 Fe3C 相γ，单相具有最小的脆性，但耐磨性较差， ε 单相脆性也较小，并有较好的耐磨性和抗磨合性能合金结构钢离子渗氮时一般均得到双相（γ，+ε 或 ε+γ，）组织，脆性较单相大些，耐磨性较好；离子氮碳共渗得到 ε+Fe3C(少量)组织，脆性并不增加，而有最好的耐磨性 一、影响化合物层中 ε 和 γ，相含量的因素 影响离子渗氮化合物层结构的因素很多，有渗氮气氛的影响，钢材成分和组织方面的影响，还有渗氮温度、时间、气压等工艺方面的影响因素。
（一）渗氮气氛的影响 离子渗氮气氛中氮和碳的含量是影响化合物层相结构的重要因素 1）气氛含氮量对化合物层相结构的影响 随着气氛含氮量增加，化合物层中 ε 相含量增多，白亮层也随之增厚如 40Cr 钢用氨气渗氮时，ε 相含量相当多，改用分解氨后则大大减少 2）气氛中添加含碳气体将抑制 γ，形成，而得到以 ε 相为主或 ε 单相结构的化合物层 如气氛中加入丙烷（C3H8）后，化合物层中 ε 含量迅速增多，基本由 ε 单相组成含碳量再增多则化合物层中开始出现 Fe3C，含碳量继续增多，则 Fe3C 增多，ε 减少直到完全消失 离子渗氮需要严格控制气氛中含碳量，使之能得到 ε 单相或 ε+少量 Fe3C 的双相组织这样的组织其硬度和耐磨性均比单纯离子氮化有较大提高如 45 钢在含 80%N2 的氮氢气氛中 570℃ 渗氮 3 小时，表面硬度只有 575-603HV0.5，加入丙烷气后，当含碳量达到临界值（不出现 Fe3C 的最大含碳量）时，ε 相化合物层的硬度达 730-781 HV0.5 （二）钢材成分和组织的影响 随着钢中含碳量及合金元素增加，氮化层中 ε 相也随之增多 基体组织硬度较高者，渗氮层表面硬度也较高，而且化合物层较厚，其中 ε 相也较多。
一般来说，调质组织渗氮化合物层中的 ε 相含量比正火组织少 （三）渗氮保温时间的影响 40Cr 钢化合物层厚度在渗氮初期增长较快，保温 2-4 小时后变化不大而 38CrMoAl 钢化合物层厚度则随时间延长而增厚，保温 24 小时后，这种趋势仍然保持着 一般合金结构钢在用分解氨渗氮时，随保温时间延长，ε 相减少，γ，相增多，长时间保温后，化合物层基本由 γ，相组成 （四）渗氮温度的影响 40Cr 钢渗氮时，从 500℃升到达 560℃，化合物层中 ε 和 γ，均增加，当升到 580-600℃时，ε 相突然减少，γ，相数量猛增，当温度升到 620℃，γ，相数量急剧减少，升到 650℃以上则化合物层分解 （五）气压的影响 离子渗氮化合物层的厚度在某一最佳气压下出现最大值，氮化物 ε 相的含量和气压也有类似的关系如 40Cr 钢在 530℃渗氮，气压为 400Pa 时，化合物层中 ε 相含量最多，而在570℃渗氮，这一气压值为 530Pa 二、获得各种化合物层组织的工艺方法 （一）γ，单相化合物层的获得 γ，相在室温时它的含氮量为 5.7-6.1%，相区狭窄，所以 γ，单相化合物层比较薄，通常认为可达 8um。
碳在 γ，相中的溶解度不大，室温时最大溶碳能力为 0.2%由此可见，获得γ，相的条件是渗氮表面贫碳和氮含量偏低所以降低气氛氮势，强化脱碳过程将有利于γ，的获得 用以下方法之一，可以获得 γ，单相化合物层： （1）降低气氛的含碳量 用含氮 25%的氮氢混合气或者热分解氨不容易得到 γ，单相化合物层，不论是 38CrMoAl还是 40Cr 钢，甚至碳钢都程度不同地含有 ε 相，若进一步降低气氛含氮量到 10%时，上述几种钢材都能得到 γ，单相化合物层 （2）降低炉气压力 低气压、高电压，强化溅射和脱碳作用，有利于化合物层中 γ，的形成40Cr 钢和38CrMoAl 钢在含氮 25%的氮氢气氛中 530℃渗氮，当气压为 160Pa 时能得到薄薄的 γ，单相化合物层，可以在保温前 1-3 小时内用低气压，而在以后的保温过程中用一般气压渗氮这样 γ，单相层可由 1-2um 增加到 4-5um提高渗氮温度还能使它进一步增厚 （3）预脱碳法 用热分解氨离子渗氮时，只有工业纯铁容易得到 γ，单相化合物层因此可以设想，如果使材料表面先形成一层脱碳层，随后再渗氮，就可以得到 γ，单相化合物层如 40Cr 和38CrMoAl 试样先用氢气起辉升温，达到 530℃后保温 1 小时，然后改用 25%N2-H2 或热分解氨继续渗氮，都得到了 γ，单相化合物层。
（4）延长离子渗氮时间 碳钢、40Cr 等材料用分解氨离子渗氮时，随着渗氮时间延长，化合物层中 ε 相逐渐减少二）ε 单相和 ε 加少量 Fe3C 化合物层的获得 离子氮碳共渗气氛中碳量达到临界值时，就能得到 ε 单相化合物层如果超过临界含碳量，则得到 ε+Fe3C 化合物层图 2 给出了 45 钢在 570-590℃离子氮碳共渗 3 小时，气氛的组成与化合物层组织之间的关系可见，ε 相单相区非常狭窄，在图中仅仅是一条线，即是临界含碳量曲线这就意味着获得 ε 单相的工艺性较差，气氛配比必须控制得很严格才能做到否则经常得到的是 ε+Fe3C 双相化合物层而形成 ε+Fe3C 化合物层的气相配比范围却比较宽，生产上容易控制Fe3C 的存在能提高渗氮层的耐磨性，而且少量 Fe3C和 ε 双相化合物层的脆性并不比 ε 单相差因此，离子氮碳共渗获得 ε+少量 Fe3C 化合物层是有利而无害的图 2 中阴影所示部分为离子氮碳共渗推荐气氛的配比范围在阴影内，于 570-590℃渗氮 3 小时，正火 45 钢表面可以得到 15-30um 的 ε 或 ε+Fe3C 构成的化合物层气氛含氮量低，含碳量高，化合物层较薄，反之则厚。
如果不需要过厚的化合物层，可以把共渗时间缩短至 1-2 小时当然，临界含碳量也要作相应调整 离子氮碳共渗的温度以 570-590℃，时间以 2-4 小时为宜，气压一般用 270-530Pa 氮气加丙烷共渗也同样能得到 ε 相或 ε+Fe3C 化合物层渗层表面呈银灰色，虽然不用氢气，但丙烷中含有的氢足以防止表面氧化这种工艺不需要氢气，便于在生产中应用 （三）用酒精和丙酮进行离子软氮化 目前国内在生产上常用酒精和丙酮进行离子软氮化，也能得到增加化合物层中 ε 相含量的效果一般得到 ε-Fe2-3（CN ）+γ，-Fe4N 双相化合物层，但是 ε 相的含量较普通离子渗氮多，因而表面硬度和耐磨性都有进一步提高 操作时先通氨气升温，到温后在按一定比例送入含碳气氛酒精和丙酮蒸气是采用负压抽入的办法通入炉内在氨/乙醇和氨 /丙酮的流量比为 9/1-7/3 范围内，表面硬度以 8/2 为最高；化合物层的厚度在流量比 9/1-8/2 范围内变化不大，再增加含碳气氛，化合物层显著减薄；不同流量比对扩散层深度的影响不大比较氨/乙醇和氨/ 丙酮这两类气氛，后者能获得更高的表面硬度，较厚的化合物层和较深的扩散层。
其混合比以氨/丙酮=9/1-8/2 为好三、无化合物层渗氮表面的获得 渗氮时抑制化合物层，形成的纯扩散层组织具有很高的强韧性，称之为高韧性渗氮层 产生纯扩散层有两种办法： （一）两段处理法： 第一段正常离子渗氮，得到 γ，或 γ，+ε 化合物层的扩散层，第二段采用氢、氩等气体辉光放电，靠离子轰击，使已形成的化合物层分解 （二）控制含氮量： 在整个过程中保持等离子区的低氮势，以避免在表面产生 γ，氮化物的晶核但此时氮势应恰好仅低于临界值，以使扩散层能被氮所饱和，并且在硬度和深度上不致比通常的扩散层加化合物层降低太多end)(转载） 。