离子渗氮工艺：利用辉光放电实现渗氮

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：离子渗氮又称为辉光离子渗氮或等离子渗氮，是利用辉光放电现象，将含氮气体介质电离进行渗氮的工艺。目前在世界各国，离子渗氮已获得广泛应用并在不断发展。离子渗氮实际上是在正常辉光放电区与异常辉光放电区间的过渡区进行的。

离子渗氮又称为辉光离子渗氮或等离子渗氮，是利用辉光放电现象，将含氮气体介质电离进行渗氮的工艺。离子渗氮的研究始于20世纪30年代，但由于大电流稳定辉光放电设备在技术应用上的困难，故一直到20世纪60年代初才在少数国家的生产中得到应用。目前在世界各国，离子渗氮已获得广泛应用并在不断发展。

1.离子渗氮的特点

与普通气体渗氮相比，离子渗氮具有以下优点。

(1)渗氮速度快，时间短，如当渗氮层厚度为0.3～0.5mm时，离子渗氮所需时间仅为普通气体渗氮的1/3～1/5，因此节约电能和气体。

(2)渗氮层的性能更加优越。离子渗氮可以通过改变工艺参数来控制渗氮层的成分和结构，使其表面形成的白层很薄，甚至没有。

(3)变形小，特别适用于形状复杂的精密零件。

(4)易于实现局部渗氮，只要设法使不欲渗氮的部位不产生辉光即可；易于实现均匀渗氮，只要能产生辉光的表面就能进行渗氮。

(5)适用于各种材料，包括要求渗氮温度较高的不锈钢、耐热钢，以及渗氮温度较低的工模具(具钢)和精密零件，而低温渗氮对气体渗氮来说是相当困难的。

(6)劳动条件好，对环境污染轻。

离子渗氮的主要缺点是准确测定零件的温度有困难，对于大型炉及各类零件的混装炉，各处工件的温度难以达到均匀一致。

2.离子渗氮原理

离子渗氮是在真空室内高压直流电场作用下进行的，其装置及原理如图5-33所示。离子渗氮时，将工件置于真空室内，并接直流电源阴极，容器壁则接阳极(或另设阳极)。先抽真空，当真空度达到1.33～13.3Pa后，充入氨气或氮、氢混合气，待真空容器中压力升至70Pa左右时，在阴、阳极间施加400～800V的直流电压，容器中的稀薄气体便会被电离成N＋、H＋离子和电子。在电场的作用下，电子向阳极迁移，并在运动过程中不断使气体分子电离，而N＋、H＋等正离子则向阴极迁移，在这个过程中还可能与未电离的中性粒子碰撞，使之也向阴极迁移。当正离子达到阴极附近时，被强烈的电场突然加速而轰击工件表面，当这一综合运动过程达到稳态时，就可以在零件表面获得稳定的辉光。此时电压和电流保持稳定，零件表面覆盖一层紫蓝色或紫红色悦目的辉光，其厚度为4～8mm(取决于真空室内的压力和外加电压)。高速运动的正离子对零件表面的轰击，产生下列过程。

(1)使工件加热；

(2)使部分氮离子直接渗入工件表面；

(3)使零件表面的铁原子等部分地飞溅出来，即发生阴极溅射现象。

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图5-33　离子渗氮原理和离子渗氮装置示意

由阴极溅射出来的铁原子在阴极压降区与氮离子结合生成FeN，FeN由于附着作用而吸附在工件表面。在高温及离子轰击的作用下，FeN很快转变成低价氮化物Fe2N及Fe3N等，并放出活性氮原子，其中一部分活性氮原子渗入工件表面并向内部扩散而形成渗氮层；另一部分又回到等离子区，和其他氮离子一样重新参与渗氮过程。

但也有研究认为，离子渗氮是通过氨不完全分解产生的NH＋2和NH＋离子对阴极(工件)的轰击，并在阴极分解出活性氮原子，活性氮原子被表面吸收并向内部扩散而完成的。其主要依据是，当使用不含氢的气氛如氮气或氮氩混合气进行离子渗氮时，几乎没有渗氮层产生。

3.离子渗氮工艺

离子渗氮前，应将零件彻底清洗，以免因油污、锈斑、挥发物等引起电弧损伤零件的现象。零件在装炉时，其间隔必须足够大而均匀，装载过密处往往会引起温度过高。对局部渗氮的零件，可在非渗氮部位用外罩(对凸出面而言)或塞子(对内凹面或孔而言)屏蔽，以避免在该处产生辉光。装炉时还要注意合理分布测温热电偶等。

离子渗氮的工艺参数包括电参数、热参数和气参数，三者之间相互影响。电参数包括电压和电流，热参数包括温度和时间，气参数包括气体成分、压力和流量。在选择工艺参数时主要是确定温度、时间和气氛，然后改变或调节电参数和气压来满足温度的要求。但是，辉光放电的特性本身又决定了电、气参数只可能在一定范围以内变化。下面对三组参数分别介绍。

渗氮温度是最主要的参数，它是根据零件的材料和对零件的技术要求(主要是硬度)来决定的，其选择原则和普通气体渗氮相似。一般说来，对于渗氮钢温度可选为520～540℃，不锈钢及耐热钢为550～580℃。在温度确定后，时间则依渗氮层深度而定。

离子渗氮所用介质有纯氨气、氨分解气及不同比例的N2和H2的混合气。氨分解气实际上相当于25%N2＋75%H2的混合气(体积分数)。使用纯氨时炉内各处氨的分解情况不同，因此气氛氮势也不相同，容易造成零件硬度和渗氮层的不均匀，尤其是各个零件之间可能差别很大。另外，氨分解气氮势较高，控制困难，故渗层金相组织也不理想。相反，使用N2和H2的混合气，则可通过改变N2和H2的比例来改变渗氮层的结构、化合物层和扩散层厚度，调整渗氮层性能。目前，国内主要使用纯氨，国外最常用的是在零件升温阶段用纯氨，到温后用氨分解气。炉内气体压力在工作温度下一般维持在267～1000Pa，低压用于处理结构钢，高压用于处理工具钢。在升温阶段，气体压力应随温度升高而逐步加大，直到工作温度下的稳定值。渗氮气体的流量也必须选择适中，过小则供氮不足，渗氮层深度和表面硬度都会下降；过大则造成渗层深度不均匀。

离子渗氮中电参数的选择和控制也很重要。图5-34是辉光放电时电压电流特性曲线。图中a点之前增加阴阳极间的电压，阴阳极间并没有电流，至a点时突然出现电流，故a点的电压称为点燃电压。bc为正常辉光放电区，cd为异常辉光放电区，de为弧光放电区。在正常辉光放电bc区中，电压保持恒定而电流密度可以变化；在异常辉光放电cd区中，电流密度随电压升高而升高。离子渗氮实际上是在正常辉光放电区与异常辉光放电区间的过渡区进行的。这是因为零件是借辉光放电加热，如果选择正常辉光放电区，则电压或电流不可调，放电过程失去控制；但若选择在异常辉光放电区的高压端，则又极易产生弧光放电。弧光放电在阴极上的某一点与阳极之间进行，很容易烧伤工件，因此应当绝对避免。

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图5-34　辉光放电时电压电流特性曲线

离子渗氮工艺：利用辉光放电实现渗氮

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