《渗氮及氮化处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《渗氮及氮化处理（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、渗氮渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常 见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中， 通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸 附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得 优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共 渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。原理应用渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面 与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铭。这 些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的
2、钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸 汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比，渗 氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只 能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要 求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。渗氮有多种方法， 常用的是气体渗氮和离子渗氮。钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。最初的气 体渗氮，仅限于含铭、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益 扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。气体渗
3、氮NHj:一 相界而丘的的扩散羿H-i曳T飞料瑚in-MHK峻附）一叩（吸附）TH（吸时-N（吸二J f；岫he*4y-Fc2 闷叫E1:-as-o海色房形成过程示廊图| 向护内不断嫡 5, 冬一氨归于向金肩表面迁糕参一氯分于被金风表面吸附 j嵬分子在相界血上卜断增加、和驾.原于 一活性原子真含成分 于,挂拍界尚反腐的扩散层界与断点群内排出回一茬而吸附的翅原于浴解干爪一 中寻一览原于由金期表面向内部扩散.井产生一定的诙度分冲一当氮超过在 &中的游解度目，表层开地推成瓠化物佥氤化物沿金属表而的垂直方向和平 行奶 K夫- -S面掖次形成y如和，招 争一题化居不断噂原 皿一氮.叫短化啊间全房内部散一
4、般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达 HV8501200。渗 氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗 床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受 重载的耐磨零件。气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗 氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480520C之间，氨气分解率为1530%,保温时间近80小时。这种工 艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多 段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不
5、同温度、不同氨分解率、 不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550700C之间，保温 0.53小时，氨分解率为3570%，工件表层可获得化学稳定性高的化合 物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。离子渗氮等离子体的物理基础*这里指的等离子体是一种电离气体，是由离了、电了和中性粒子所组 成的集合体，整体呈现中性。是带电粒子组成的电离态，俗称物质的第四态。离子渗氮、离子沉积属低温等离子体。
6、就是等离子体中的重粒子温度T = TS自由电子温度）, 由于-般重粒了温度接近常温,电子温度高达101TK,所以这种等离子体称为非平衡等离子体.为K获得等离子体，必须使中性粒子电离，在离子沉积中,主要是运用低压气体放电的方法 获得等离于体。在低压气体放电开始时，总存在有自然电子（初期电子），施以高压电场后，这种 自然电子获得足够能量被加速，并与中性粒子碰撞而电离。电离产生的电子又进一步使其他中 性的粒了发生电离，造成连锁反应而形成等离子体。所使用的电场有直流、射频、微波电场。4.2.1. 1等离子体的性质等离子体应诙说是一个完整的物理体系，宏观上，等离子体是中性的，具有很高的导电率在 等离子体
7、中的化学反应比热化学反应容易进行，其带电粒子在放电空间（气休）有热运动、电场作 用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动。4.2. 1.2 气体放电的伏安特性曲线阴阳极闾气体的放电不符合欧姆定律。气体放电在阴阳极间的电压与电流关系如图4-1伏安 特性曲线。在图4-1中兑点前，阴阳极之间没有可见电流，处于非自持放电区；当电压增加到A点 时，阴阳极间突然有大电流产生，称兑点电压为点燃电压，阴极部分表面产生了辉光，阴阳极间电 压立即下降到H点，A点后为自持放电区,BCE间为正常辉光放电区，这时增加电压或减小限流 电阻，阴极表面覆盖辉光面积增大，电流随之增加，但在正常辉光放电区中阴阳极间电压不
8、变;到C 点后，继续增大电压或减少限流电阻，当辉光全部覆盖阴极表面，随着电流增加，极间电压也增大， 称CD区间为异常辉光放电区过了 D点后，电流突然增大,面此时，极间电压反而下降，此时辉光 熄灭，阴极表面出现强烈的弧光，称DE区间为弧光放电区（在6.3,2节中还会详述九当气体性质、电极材料、温度一定时，点燃电压与压强p和极间距d的乘积有关，它有一个最 低值，关系如图4-2所示，即巴邢曲线。由于电子在两次碰撞之间的平均路程与气体密度成反 比，即与气压/成反比，所以pXd的值实质上是反映出一个电子从阴极到阳极过程中的平均碰 撞次数。电子从阴极到阳极的过程中，碰撞次数过少，引发的电离数就少，不易点燃
9、；相反，碰撞 次数过多，每次碰撞前，其电子加速的路程就短，电子达不到使分子电离所需的速度，因此电离也 少。所以碰撞次数过多或过少都不易点燃，而在某一最佳平均碰撞次数下,其所需的阴阳极间点 燃电压最低，如图中巴邢曲线的最低点。UME13,30图4 1辉光放电伏安特性曲线图4-2点燃电压与pxd值关系又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通 有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之 间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工 件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于 离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而
10、得到净化，同时由于吸附和扩 散作用，氮遂渗入工件表面。与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：可适当缩短渗氮周期； 渗氮层脆性小；可节约能源和氨的消耗量；对不需要渗氮的部分可 屏蔽起来，实现局部渗氮；离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面 钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。渗层厚度和组织可以控制。 离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。d事心,W 丁咽南尔SX猝一人下厂土牧5虫的诫度刁电离过程。因此可以见到辉光，但仔细观察发现,辉光从阴极到阳极的分布是不均匀的，其状况 如图4-3。从阴极到阳极的光层按顺序其形成过程为：（1）阿斯顿暗区：紧靠阴极表面，约1, mm厚，电子从阴
11、极发射出来，立即进入高电场强度区， 并被加速，由于其刚离开阴极时，速度还很小，不能产生激发，因此没有发光现象。（2）阴极辉区：电子被加速到足以产生激发，因而产生辉光.（3）阴极暗区：电子经阴极辉区后，速度进一步增大，足以产生电离，而激发很少，因此称为 阴极暗区。以上三区与阴极之间具有很大的位降（电位降落儿称为阴极位降区。三区厚度之和即为阴 极位降区必，其厚度与电压、气体压强有关.负辉区：阴极位降区电离的电子多数是慢电子，因多次受非弹性碰撞能量降低，其能量 小于电离能。但可产生激发碰撞和电子与离子间的复合，因此在此区中产生大量的激发发光和 复合发光，这就是负辉区光最强的原因，负辉区与阴极暗区有明
12、显的界限.（5）法拉第暗区：大部分电子已在负辉区损失了能量，此区的电场很弱，电子已无足够的能 量进行明显的激发和电离，因此光度很弱。（6）正柱区：正柱区中，正负离子数相等，因此又称等离子区，带电粒子密度一般为图4 3辉光放电的发光分布及各种特性U阿斯顿暗区f占一阴极辉区F 4一阴极暗区？ 4一负彝区F e 法拉第暗区T 了一正柱Eig阳掇暗区港一阳极瓣区 10】。尸个/cmL正离子迁移率很低，电子迁移率高，因此等离子体区是一强导体。它在气 体放电中的作用是传导电流，此区的电场强度比阴极区小几个数量级。所以电子在等离子体 区主要是作无规律的自由运动，其运动速度比迁移速度大几个数量级，并有大量的非
13、弹性 碰撞。3）阳极暗区：是阳极区的组成部分，阳极区包括阳极暗区和阳极辉区。（8）阳极辉区：在等离子体区的阳极端电子被阳极所吸引，离子被阳极所排斥，在阳极前 形成负的空间电荷，电位急剧升高，形成阳极电位，电子在阳极被加速，足以在阳极前产生 激发和电离，形成阳极辉.阳极电位的极性取决于阳极上电子的性质：若从阴极跑到阳极端 的电子数大于从等离子区到阳极的自由运动的电子数时，阳极电位为正，电子被加速否则 阳极电位为负。辉光放电的一般特征是：（1）发光颜色因气体的种类而异。氢辉光呈淡蓝色，氮呈紫色，氨呈紫蓝色。（2）放电气压一般在400-1333. OPa,放电电流密度10一】10mA/cm气（3）高
14、电压小电流密度的放电。（4）辉光放电主要靠阴极发射电子t过程来维持。离子轰击（冲击）表面处理过程中，主要是工作在异常辉光区，放电时.阳极位降和阴极位降 区不仅和气压p有关，还与电流密度有关。阴极全部布满辉光，电流密度j随阳极位降K的增 加而增加，其关系为V.-Vh+j4一1式4-1中，K为异常阳极位降；VH为正常辉光位降；，为异常阴极位降时的电流密度；九为正 常阴极位降时的电流密度；K为常数.阴极位降区的宽度或或苛十f4或式4-2中,顶为电流密度，/为气压垣为常数。氨气在低温正常辉光放电时= 666Pa mm； p= 1333Pa,庄=5mm* = 133Pa,义= 5mm；/）13. 3Pa
15、,cZt = 50mma在伏安特性曲线上，超过1）点为弧光放电，产生弧光放电，就会使被处理的工件遭烧毁.表 42是弧光放电与辉光放电的比较，表4-2弧光放电与辉光放电的比较放电特性_辉光放电弧光放电电压值几百（伏）几十（伏）发光度弱强电流密度小大阴极发射电子过程二次电子热电子成场致电子阴极发射电子区域整个阴披局部发射麒色气体辉光气体及阴极材料光谱色能损耗主要在阴极阳极、阴极、正柱区4. 2. 1. 3 离子轰击阴极表面物理、化学效应离子轰击表面，将发生一系列的物理、化学现象。这些现象在离子渗氮和离子气相沉琳极重要的作用，表4-3列出了其中比较重要的现象。I图4-4是离子轰击阴极（工件）时在表面产生的各种现象.除上述谈及的阴极溅射、凝附、二 次电子发射、阴极被加热外，还有气体的解吸与 分解，阴极被加热后局部区域的原子扩散,产生 的晶格变化和离子注入等现象.4.2.2离子渗氮的特点离子渗氮具有以下优点：渗氮速度快（一般为气体渗氮时间 的 1/3-1/5）；0）热效率高，无需外加热源，靠离于轰击加 热，省能省气；（3）渗层组织脆性小，易控（通过质量流量 计,有效控制氮碳含量比，氢氮含量比
