离子渗氮炉简介-汽车零件热处理实用技术

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：离子渗氮主要在此区间进行，放电电压与电流成线性关系，过了G点电压下降，电流迅速增大，会烧化工件。由此可见在离子渗氮过程中辉光放电对形成渗氮扩散层具有重要作用:活化气相，加快氮原子的吸附和扩散。

将真空室内的真空度抽至（1～5)×1.33 Pa，充入少量气体介质氨气或氮气、氢气的混合气体，电源使室内压强保持（1～10)×133 Pa，真空室内有阴、阳两极，工件接在阴极，外围设置一个阳极（炉罩)，如图10-20所示。

图10-17 钟罩式离子渗氮炉

1—双层炉体 2—内阳极 3—观察孔 4—瓷绝缘子 5—屏蔽帽 6—阳极接线座 7—底盘 8—抽气系统 9—真空泵 10—电阻真空规管 11—出水管 12—阴极托盘装置 13—进氨气管 14—进水管

在阴、阳两极通直流电后，氨气在高压电场作用下部分分解成氮以及电离成氮离子及电子，阴极（工件)表面形成一层紫色辉光，高能量的氮离子轰击工件表面，动能转为热能使工件表面温度升高。

图10-21所示为辉光放电的电流电压曲线。从图中可以看出，在炉内压力稳定的条件下，开始两极间只有十分微弱的电流产生，随着电压增大电流增大，电压增大到D点时，气体电离，由绝缘成为良导体，阴极的部分表面开始起辉，D点电压为起辉电压，但此时两极间的电压与电流不成线性关系，如EF线所示。升高电源电压或减小电阻均不会改变电压，电流密度也不变化，该区为正常辉光放电区。辉光覆盖面积逐渐增大，电流也相应增大，其大小与炉内气体压力有关，至F点

图10-18 阴极托盘结构

1—下阴极柱 2—套圈 3—上绝缘套 4—下绝缘套 5—垫圈 6—螺母 7—大垫圈 8—套 9—上阴极柱 10—金属套 11—屏蔽套 12—间隙屏蔽套 13—阴极板

图10-19 阴极吊钩结构图

1—阴极引线插头 2、4—聚四氟乙烯保护套 3—引线插座 5—引线接线柱 6—橡胶密封垫 7—隔水套管 8—炉顶冷却水套 9—绝缘套 10—石棉水泥绝缘垫 11、14—螺母 12—泡沫刚玉保温板 13—间隙屏蔽板 15—阴极吊环

图10-20 辉光放电电路

图10-21 辉光放电的电流电压曲线

Ⅰ—正常辉光放电区 Ⅱ—异常辉光放电区 Ⅲ—弧光放电区

辉光覆盖了工件表面，升高电源电压则电压与电流均增大，直到G点，FG段称为异常辉光放电区。离子渗氮主要在此区间进行，放电电压与电流成线性关系，过了G点电压下降，电流迅速增大，会烧化工件。

气体的起辉电压是一个重要参数，它直接影响到工件的产品质量。一般当气体成分、阴极材料不变化时，其取决于炉内气体压强p₀与阴、阳两极距离d₀的乘积。工件表面的油污、氧化物等被强烈地溅射而除去，氮的正离子在阴极夺取电子后逐渐成为氮原子被工件表面吸收，并向内扩散。氮离子冲击工件表面还能产生阴极溅射效应，在离子轰击作用下从阴极表面上冲出铁离子，在等离子区与氮离子和电子结合形成渗氮物，其以均匀的层状被吸附在阴极表面上，形成氮浓度很高的渗氮铁（FeN)。在离子轰击和热激活作用下，沉积在工件表面的FeN发生反应FeN→Fe₂ N＋[N]，分解后产生的活性氮原子被工件表面吸收并向内扩散，而Fe₂ N又受到上述作用依次发生下列反应:Fe₂ N→Fe₃ N＋[N]，Fe₃ N→Fe₄ N＋[N]及Fe₄ N→Fe＋[N]，其中放出的氮原子渗入工件表面，向工件内部扩散，在工件表面形成渗氮层。随着时间的延长，渗氮层逐渐加深。离子渗氮是在真空容器内高压电场作用下进行的，离子渗氮时阴极的溅射作用除掉了氧化膜，可使工件的表面始终处于活化状态，因此有利于氮原子的渗入，同时由于离子轰击会在表面一定深度内产生晶体缺陷（如产生位错等)，其方向与氮原子的扩散方向一致，有利于氮原子的扩散。在渗氮层中氮在高浓度的ε相中扩散最慢，而ε相又处于最表面，在扩散层中氮原子的扩散起着至关重要的作用，离子渗氮时辉光放电对表面层发生作用，因此有助于ε相中氮原子的扩散，加速了渗氮过程。由此可见在离子渗氮过程中辉光放电对形成渗氮扩散层具有重要作用:活化气相，加快氮原子的吸附和扩散。

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