离子氮化技术现状与发展趋势

离子氮化技术现状与发展趋势
陈立奇，朱文明
（1江苏丰东热技术股份有限公司，江苏，大丰，224100；）
摘要：通过分别介绍离子氮化的热处理设备、技术人员、产品结构、工艺流程以及该技术对环境的影响综述了国内外离子氮化热处理技术现状，最后针对国内外的研究现状提出离子氮化热处理技术方面的未来发展方向。

关键词：离子氮化；等离子热处理
The Development Tendency and the State of Plasma Nitride
Chen Li-qi,Zhu Wen-ming
(1Jiangsu fengdong thermal technology Co,Ltd,Jiangsu,Da feng,224100) Abstract:The state of Plasma Nitride technology of domestic heavy forgings was overviewed in this paper,such as f Plasma Nitride equipment,the technical personnel,the product structure, process and impact of Plasma Nitride on environment.And based on the domestic research status of Plasma Nitride,the research development tendency in the future is also put forward.
Keywords:Plasma Nitride,Plasma heat treatment
0前言
离子氮化属于等离子热处理的范畴，也是渗氮化学热处理中的一种。

它是利用稀薄气体辉光放电形成活性氮离子，在直流电场中对工件进行热处理的一种表面改性技术。

相比于气体渗氮，离子氮化具有清洁无公害、渗速快、节能省气、畸变小、渗层组成可调、处理温度范围广（从380-850℃）等优点，已被广泛用于碳素结构钢、合金结构钢、工模具钢、不锈钢、球墨铸铁、灰口铸铁、钛合金、粉末冶金等材料的表面强化[1,8-12]。

1离子氮化设备
离子氮化设备一般包括电气控制系统、真空炉体、渗剂气体配气系统、真空产生和维持系统、真空测量及控制系统、测温及控温系统等部分组成。

离子氮化设备应配备有电压、电流、温度、真空度及气体流量的测量指示仪表，对这些参数应能进行控制和记录。

现在发展趋势是使用斩波器及IGBT逆变型脉冲电源。

电气系统大多采用三相半控2组桥串联负边调压的可控硅整流电路，输出0-1000V连续可调的直流电源。

国内正逐步推广使用脉冲电源式离子氮化炉，其核心是直流斩波器。

脉冲电源是指提供的电压、电流是具有一定周期的近似方波的脉冲，工作频率固定，而脉冲宽度可调。

根据不同工件,可适当调整脉冲宽度,以达到清洗工件及保护工件表面的作用[1]。

2离子氮化技术人员
国家政策“重冷轻热”，热处理车间现场环境较差，热处理人员待遇低，国民经济发展各环节不均衡，这些现实因素造成了国内热处理与世界发达国家的差距较大，形成所谓的“人才短板”效应。

目前，热处理技术及质量人员一般以大中专高校培养的专业技术人才为主。

完全按照现场的实际经验来完成工艺制定和技术指导的时代已经过去，现在大多数热加工企业对刚毕业的材料加工或热处理专业的大学生比较青睐，虽然他们的经验方面可能较欠缺，但他们的理论知识比较丰富，假以时日的培养与一线锻炼，理论与实践的有机结合，这些大学生也逐渐成长为企业的中高层技术骨干。

对于一直从生产一线训练有素的操作工，也是企业培养人才的一条重要途径，对于他们来讲，要从实践经验中提炼出可以用于指导实践的理论，也是一个较大的能力提升。

据不完全统计，现在材料专业的毕业生毕业后从事热处理方向工作的仅仅占0.67%，热处理行业的人才储备形势非常严峻。

而这0.67%的材料毕业生能够鼓足勇气来从事热处理方面的工作，也需要现在的企业管理人员的大力支持，而不是去持续打压，持续忽悠。

离子氮化技术人员应了解工件的上道工序（预备热处理）及下道工序（精加工），对产品的信息需要把握清楚，需要和原材料、锻造、锻后热处理、机加工等工序人员进行有效沟通，及时了解其下道工序的机加工方式及要求，为产品实现质量控制打下良好的基础。

3离子氮化产品结构
离子氮化产品已广泛应用在机械制造、交通运输机械、动力机械、轻工机械和医疗器械等方面的中小负荷、精度高，渗氮后很少留磨量或不留磨量。

尤其是对那些耐疲劳、耐磨损的零件效果较为明显。

近年来，不锈钢、工模具钢与Ti及Ti合金的离子氮化及逐步成为离子氮化的应用范畴。

张国庆[4]等对0C r17N i12M o2奥氏体不锈钢试样在不同参数下进行等离子渗氮，结果表明，在炉内气压0.4kPa，渗氮温度350℃，渗氮12h，试样表面平均硬度能达到1000HV0.1以上，且具有较强的耐腐蚀性能。

吴凯[3]等对2Cr13不锈钢进行稀土催渗循环离子渗氮试验，并和常规离子渗氮进行对比研究。

结果表明：稀土催渗循环离子渗氮工艺加快渗氮速度，提高耐磨性；使渗氮层的表面硬度提高、显微硬度梯度变得平缓，渗氮效果随循环次数增加而愈好；还能优化2Cr13不锈钢渗氮层的相组成；添加到渗氮气氛中的纯稀土La存在于渗层中，既验证La的催渗效果，La起到一定的微合金化作用。

王瑞金[17]等针对常用的工模具材料，在不同的电流类型、气体气氛、渗氮温度、加氩工艺下进行离子渗氮处理，并对试件进行金相分析和硬度测量。

试验表明，带窄缝工模具,用IGBT逆变型脉冲电源的离子渗氮工艺较为合理；加氩工艺有利于减小表面ε层和增加渗氮层的硬度和厚度。

焦艳军[16]等研究等离子渗氮对钛表面的组织结构、性能及对变形链球菌黏附的影响。

结果表
明，等离子渗氮表面处理仅使纯钛表面粗糙度略微增加，并均在0.2μm以下；等离子渗氮表面处理后材料表面的原始划痕消失；GDS检测分析结果表明，等离子渗氮表面处理后，表面主要由氮化钛化合物组成；经渗氮处理后，纯钛黏附细菌的量显著减少。

4离子氮化工艺设计
一般认为，离子氮化处理的工序流程包括预备热处理——清洗——装炉——屏蔽——打弧升温——保温——冷却出炉。

4.1碳钢和铸铁
碳钢和铸铁的离子氮化温度范围为540-570℃，氮化时间主要取决于硬化层DN或渗层深度，氮化气氛可以选择氨气加甲烷、丙烷、二氧化碳等，气体压强一般100-1000Pa，气体流量一般0.05-1.2L/min，合理调节气体比例可以调节化合物层的相组成及厚度。

4.2合金结构钢
合金结构钢的离子氮化温度范围为510-540℃，氮化时间主要取决于硬化层DN或渗层深度，氮化气氛可以选择氨气或N2+H2，气体压强一般100-1000Pa，气体流量一般0.3-1.2L/min。

4.3工模具钢
工模具钢的离子氮化温度范围为520-560℃，氮化时间主要取决于硬化层DN或渗层深度，氮化气氛可以选择氨气或N2+H2，气体压强一般100-3000Pa，气体流量一般0.3-1.2L/min。

4.4不锈钢
不锈钢的离子氮化温度范围为560-620℃，氮化时间主要取决于硬化层DN或渗层深度，氮化气氛可以选择氨气或N2+H2，气体压强一般100-1000Pa，气体流量一般0.3-1.2L/min。

4.5纯Ti及Ti合金
纯Ti和Ti合金的离子氮化温度范围为800-900℃，氮化时间主要取决于硬化层DN或渗层深度，氮化气氛可以选择N2或N2+Ar，气体压强一般100-1000Pa，气体流量一般0.3-1.2L/min。

5离子氮化处理对环境的影响
离子氮化过程的氨气消耗量仅仅为气体氮化的百分之一。

由于离子氮化处理利用辉光放电对工件加热，其处理温度较低，比间接加热方式节能40%-70%。

6离子氮化技术的发展趋势
6.1多元共渗技术
为了提高碳钢和铸铁的硬度和耐磨性，降低脆性和减小变形，发展了以离子氮化为主的多元共渗技术，如S-N-C共渗层可以明显改善耐磨性和抗胶合能力；O-N-C共渗层可提高耐
蚀性和摩擦磨损时的承载能力[8-12]。

6.2离子氮化辅助复合处理
经过等离子渗氮后镀类金刚石涂层复合处理的H13钢表面硬度、膜/基结合强度、耐磨性能等均优于未氮化镀类金刚石涂层的样品；离子渗氮后渗铬的复合渗铬工艺能在低温短时间内能获得较为致密的纳米结构渗铬层，可以减小工件变形。

其他复合处理有离子渗氮-PCVD、离子渗氮-氧化复合处理、离子渗氮-激光复合处理，离子渗氮-淬火等[14-16]。

6.3ASPN技术
活性屏离子渗氮（ASPN）是在真空室内安装一个与阴极高压相接的金属网状圆筒作为活性屏,工件置于活性屏内。

通过气体离子轰击活性屏,并使其加热活,再通过活性屏的热辐射将工件加热到渗氮温度。

在渗氮过程中,工件被活性屏包围着处于电悬浮状态,离子轰击活性屏而不轰击工件表面,从而解决了直流离子渗氮技术存在的边缘效应、空心阴极效应、打弧等问题。

利用活性屏离子渗氮技术可以处理不同形状的工件,能方便地测量工件的温度,能处理奥氏体不锈钢等较难氮化的材料[2,6]。

6.4空心阴极辅助离子渗氮技术研究
空心阴极辅助离子渗氮技术可有效地对样品进行渗氮，避免弧光的产生而破坏表面光洁度，渗氮可以在压力很小的情况下进行，减小了氨气的使用量与尾气排放量，节省能源，减小污染[8,10]。

6.5快速离子渗氮技术
常规离子渗氮DN≤0.6mm，而对于0.8-1.2mm的深层离子氮化，需要发展快速离子氮化技术。

真空高压渗氮可实现38CrMoAl保温时期渗速至0.03-0.04mm/h，40Cr保温时期渗速提高至0.06-0.08mm/h。

稀土催渗循环离子渗氮（约15h）比常规离子渗氮（约25h）渗层白亮层较小，总渗层更深。

冷塑性变形加上稳定化回火处理后渗氮速度提高1倍，耐磨性、疲劳强度及接触疲劳寿命均有提高[6-8]。

参考文献
1中国机械工程协会热处理协会.热处理手册(第四版)第3卷热处理设备和工辅材料.北京，机械工业出版社，2008年1月
2韩莉，赵程.40Cr钢富氮层快速离子渗氮技术的探索[J].材料热处理学报，2009,30（4）：124-128.
3吴凯，刘国权，王蕾.2Cr13不锈钢的稀土催渗循环离子渗氮工艺研究[J].材料热处理学报，
2008，2:131-135.
4张国庆，沈丽如，金亚凡.0Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢低温等离子渗氮工艺研究[J].金属热处理，2008，33（8）：138-141.
5李红革.常用渗氮材料的调质硬度对渗氮层性能的影响[J].国外热处理,2005,8:26-28.
6韩莉，赵程.富氮层快速离子渗氮工艺及机理研究[J].材料热处理学报,2009,10:187-191.
7陈玮，王蕾，周磊.钢的快速渗氮技术研究现状[J].武汉科技大学学报,2006,29(3):225-229. 8龙发进，周祎，康广宇.离子渗氮新技术的研究现状[J].热加工工艺,2007,36（6）：61-65. 9黄玉堂,周上祺,刘林飞.离子渗氮技术及其进展[J].热处理装备与技术，2008，29（1）：48-51.
10高仰之，刘英祺.离子渗氮技术的进展[J].机械工人，2003,7：9-11.
11郑辉.离子渗氮技术的进展[J].机械工人,2007,9:47-49.
12马贵成.离子氮化技术及应用[J].煤矿机械，2004,7:69-70.
13李杨，徐久军，王亮.42CrMo钢表面纳米化对离子渗氮的影响[J].中国表面工程，2010,3：60-63.
14伍翠兰，元敏，陈汪林.20钢氮化表面500℃盐浴镀铬微观组织结构分析[J].湖南大学学报（自然科学版）.2010年第37卷第9期
15侯惠君,代明江,林松盛.H13等离子渗氮-类金刚石膜复合处理的性能研究[J].材料研究及应用.2010年第4卷第1期
16焦艳军，王珏，金恩龙.等离子渗氮表面处理对纯钛材料细菌黏附能力的影响.口腔颌面修复学杂志.2009年1月第10卷第1期
17王瑞金，喻彩丽.离子渗氮工艺对工模具质量的影响.热加工技术.2003年第5期。