[科普中国]-离子氮化

简介

离子氮化，它早在1931年就已在实验室里取得成功并获专利。其所运用的辉光放电，是气体放电的一种重要形式。低气压辉光放电的击穿机制是，从阴极发射电子，在放电空间引形成相应离子，由此产生的正离子再轰击阴极使其发射出更多的电子。按其状态，辉光放电又可分为前期辉光、正常辉光和异常辉光三个不同阶段。

而大电流的稳定辉光放电设备在制造技术在当时有较大的困难；一直延迟到20世纪60年代初，人们在掌握辉光放电技术后，离子氮化才在少数国家生产中得到应用。目前世界各国包括我国在内，离子氮化生产已获得迅猛发展。

原理离子渗氮又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。辉光放电是当气体越过电晕放电区后，若减小外电路电阻，或提高全电路电压，继续增加放电功率，放电电流将不断上升。同时辉光逐渐扩展到两电极之间的整个放电空间，发光也越来越明亮。当电子能f提高，也就是增强电场的操作参数，则能使电晕放电过渡到辉光放电。

离子渗氮向工件表面渗入的氮原子，不是像一般气体那样由氨气分解而产生的，而是被电场加速的粒子碰撞含氮气体分子和原子而形成的离子在工件表面吸附、富集而形成的活性很高的氮原子。

离子渗氮时，工件放在炉内的阴极盘上，接上电源抽真空，当炉内压力降到6Pa左右时，充入氨气，使炉内压保持在1.3×102—1.3×103Pa范围内。由于炉内压力低，随后又经过加热作用，进入炉内的氨气将发生分解：2NH3=N2+3H2炉内反应所得到的气体的体积分数为25%N2和75%H2的低压环境。

在以含氮气体的低真空炉体内的条件下，气源通常采用纯氨，也可采用分解氨。把金属工件作为阴极炉体为阳极，在阴极(工件)与阳极(炉体)之间加上高压(300～900V)直流电源后，稀薄气体被电离并产生辉光放电，形成氮、氢阳离子，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。氮、氢等正离子在电场的加速下轰击零件表面，产生很大热量以加热零件，同时使部分铁原子溅射出来与氮结合生成FeN由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，继而分解出活性氮原子向工件内部扩散而形成氮化层。其在工件表面形成渗氮层，主要有能量转换、阴极溅射、凝附等具体过程的发生。

技术先进性离子氮化作为七十年代兴起的一种新型渗氮方法与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：

1）渗氮速度较快，可适当缩短渗氮周期，离子氮化时间短，能缩短到气体氮化时间的1/3～2/3。。

2）渗氮层脆性小，离子氮化表面形成的白层很薄，甚至没有，另外引起的变形小，特别适宜于形状复杂的精密零件。

3）可节约能源和氨的消耗量，电能消耗为气体氮化的1/2～1/5，氨气消耗为气体氮化的1/5～1/20。

4）易于实现局部氮化，只要设法使不欲氮化的部分不产生辉光即可，非渗氮部位便于保护，采用机械屏蔽、用铁板隔断辉光，即可保护。

5）离子轰击有净化表面作用，自动去除钝化膜，不锈钢、耐热钢材料无需预先去除钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。

6）化合物层结构、渗层厚度和组织可以控制。

7）处理温度范围较宽，即使在350℃以下也能获得一定厚度的渗氮层。

8)劳动条件有所改善，无公害、离子渗氮处理在很低的压力下进行，排出的废气极少。气源为氮气、氢气和氨气，基本上无有害物质产生。

9）可以适用于各种材料，包括要求氮化温度高的不锈钢、耐热钢，以及氮化温度较低的工模具(工具钢)和精密零件，而低温氮化对气体氮化来说是相当困难的。

处理工艺及应用离子氮化处理工艺：2

处理温度：阀板880～900。C，阀座840～860。C

处理时间：6～8 h

最大加热速度：15℃/min

最大冷却速度：18℃/min

反应气氛：N2与H2混合气体，并适当引入其他气体，如氧等

氮势：66%～90%

工作气压：3999～5332 Pa

气体流量：100～150 L/h

电流密度：3～7 mA/cm2

拟进行离子氮化的零件必须经过彻底的清洗，以免因油污、锈斑、挥发物等而引起电弧，损伤零件。零件在装炉时，其间隙必须足够大而均匀，装载过密处往往会引起温度过高。对局部氮化的零件，可在非渗部位用外罩(对凸出面而言)或塞子(对内凹面或孔而言)屏蔽，以避免在该处起辉。装炉时还要注意合理地分布测温监控热电偶。3

此外离子氮化技术主要仪器就是离子氮化炉，通过离子渗氮可以使渗氮的周期缩短60%～70%，简化工序，零件变形小，产品质量好，节约能源，无污染，是近年来发展较快的热处理工艺。离子氮化设备由氮化炉、真空系统、供氮系统、电源及温度测控系统组成。氮化介质一般采用氨或氮氢混合气体。离子氮化操作要求严格，否则易导致溢度不均匀和弧光放电。离子氮化开始于30年代，到50年代仅用于炮管内膛氮化。60年代推广使用于结构钢、工模具钢、球墨铸铁、合金铸铁、不锈钢和耐热钢等。可离子氮化的零件有轧辊、锻模、冲模、铣刀、塑料成形机螺杆、柴油机缸套等4

当代离子氮化技术中，单热源的离子氮化是老的产品，已无法满足产品要求炉温的均匀性和稳定性，必须要具有双热源的离子氮化设备才能满足炉温±5度且可以随意控温，目前已广泛应用于航空航天军工等重点领域。