离子渗氮工艺原理

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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

2、气﹞通过热分解或其他方法，生成活性氮原子。﹝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α、γ、γ，、ε四个相组成。﹝1﹞α相氮在α-Fe中的间隙固溶体。最大溶解度为0.1％。﹝2﹞γ相氮在γ-Fe中的间隙固溶体。﹝3﹞γ，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﹞ε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。ε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

3、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

4、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：FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N，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

5、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：1Torr＝1/760atm﹝标准大气压﹞1Torr＝133.3Pa1Pa＝1N﹝牛顿﹞/m21Pa＝7.

6、5006×10-3Torr﹝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，

7、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400-500