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《文 献 检 索》 课程 论 文偏压对大尺寸活性屏离子渗氮的影响班级： 学号： 姓名： 11材料成型2班 1136230034杨宁完成时间：2014年11月2日杨宁（台州学院机械工程学院，浙江台州318000）摘要：通过对45钢进行活性屏离子渗氮处理,研究了在活性屏离子渗氮工艺过程中工件所加的偏压对渗氮层的影响.试验结果表明,在不加偏压或偏压较低的情况下,对距离活性屏较近的工件,其表面有一定厚度的渗氮层形成,硬度提高；而距离活性屏较远的工件,其表面几乎没有渗氮层的形成,但当增大偏压至400～450 V时,工件表面产生弱的辉光放电,距离活性屏较远的工件表面也有渗氮层形成.通过控制偏压值,可以使工件表面形成厚度均匀的渗氮层,提高工件硬度；同时也可以避免直流离子渗氮过程中产生的打弧、边缘效应等问题关键词：活性屏离子渗氮；直流离子渗氮；偏压；渗氮层；辉光放电中图分类号：TG156The Influence of Bias and In-Situ Cleaning on Through Cage (TC)or Active Screen Plasma Nitrided (ASPN) SteelsYang ning(School of Mechanics, Electronics and Architecture Engineering, Taizhou University, Taizhou 318000) Abstract: Through the study of the active screen of 40 c steel ion nitriding, were studied during the process of active screen ion nitriding process workpiece by the influence of the bias of nitriding layer. The test results show that without bias or bias under the condition of low, close to the active screen distance of the workpiece, the surface has a certain thickness of nitriding layer formation, hardness increased; Active screen far away and distance of the workpiece, the formation of the surface almost no nitrided case, but when increasing the bias to 400 ~ 450 V, the surface produce weak glow discharge, far away from the active screen surface nitriding layer formation. By controlling the bias value, can make the surface thickness of nitriding layer formation, improve the hardness. At the same time also can avoid the dc ion nitriding process to produce the problem such as bowl, edge effectKey words: Of active screen ion nitriding; Dc ion nitriding; Bias；The nitriding layer；Glow discharge 前言“离子渗氮技术是一种常用的化学热处理方法，具有渗氮速度快，热效率高等优点，且辉光放电可均匀覆盖于工件表面，适用于形状复杂的工件表面处理u-2J。

这项技术已在工业生产中得到广泛应用，它所带来的经济效益与El俱增，但是由于受气体放电特性的影响，传统的直流离子渗氮(D(刖)技术一直存在一些难以解决的问题，如：工件打、温度测量困难弧、电场效应、空心阴极效应和电场效应、温度测量和电源保护等问题电源过流保护等问题，这些问题也制约了该技术在实际生产中的大规模推广。

1 实验方法1.1试验材料与试验设备传统的台式测量仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构,它有固定的输入/输出接口和仪器操作面板,每种仪器实现一类特定的测量功能,并以确定的方式提供给用户。

1.1.1 实验设备试验是在自制的保温式多功能离子化学热处理设备中进行，设备的示意图见图1，产生辉光放电的主电源采用斩波式直流脉冲电源，频率为1 kHz，偏压电源采用平滑的直流电源。

炉内活性屏是用带孔的低碳钢板卷制而成，尺寸为0600m×800 mm。

活性屏接主电源的负极，偏压电源1.1.2实验材料试验材料为调质处理的45钢，试样尺寸为020m×4m。

1.2实验过程在距离活性屏不同距离的地方摆放材料、大小、形状相同的试样，待炉子抽真空至约 1 Pa 后，通人适量的氨气，并在炉体和活性屏之间接通主电压，然后根据试验目的，在适当的时刻再接通偏压电源。

实验中采用的ASPN工艺参数如表1所示。

表1 ASPN工艺参数经过离子渗氮后的试样分别用HVS-1000显微硬度计测得试样表面硬度，绘出渗氮距离与偏压对渗氮层表面硬度的影响；对放置在活性屏中心的试样，经不同的偏压进行离子渗氮处理后对其渗层横断面的显微硬度进行测量，绘出硬度与偏压的关系曲线。

2实验结果及分析讨论2.1工件偏压与偏流的关系图2(a)是在活性屏与炉壁之间不加主电压的条件(也就是在DCPN条件)下不同温度时工件偏与偏流的关系。

由图2(a)可以看出，在25℃且不加主电压时，随着偏压的升高偏流逐渐增大，在偏压升高到420V前，电流增加缓慢，电流大小几乎为零；当偏压超过420 V时，偏压稍微降低，偏流突然增大；当继续升高偏压，偏流则迅速增加。

这是因为当活性屏与炉壁之间不加主电压时，相当于在工件与炉壁之间加电压，即为DCPN过程，它应符合气体放电的伏安特性曲线，在420 V时工件表面已经产生辉光放电现象旧J。

在530。

C时，电流与电压的关系几乎为直线关系且电流值很小(与25℃时相比较，低了一个数量级)，这是因为温度高时，气体电离后的离子的平均动能增加，在工件和活性屏之间所加的偏压只能使少量的带电粒子向阴极和阳极运动，而温度低时，由于粒子平均动能小，大部分电离后的粒子向阴极和阳极做定向运动，因而电流密度增加，从而造成在低温时的电流较高温时大。

流强度，而要增大电流强度，要保证在高温的条件且工件表面被辉光覆盖。

要保证这两个条件同时满足，需要活性屏加热工件，使工件温度达到氮化需要的温度，然后在工件和炉壁之间加上一定的偏压，使工件表面被辉光覆盖而又不能到达异常辉光放电区，以避免在直流辉光离子渗氮中所出现的边缘效应，空心阴极效应等问题，这就需要严格控制工件与炉壁之间的电压即偏压的大小，即控制所加偏压使处理的工件于正常辉光放电区处理。

2.2 偏压对渗氮的影响经过ASPN后测得不同偏压下处于活性屏中不同位置处的试样表面硬度平均值如下图所示。

由下图可以看出，当偏压在300 V以下时，只有距离活性屏较近(<100mm)的工件表面硬度有所增加，距活性屏100 mm以上的试样表面硬度接近基体硬度；当偏压达到400 V以上时，位于活性屏中所有位置的试样表面硬度都有所增加，此时工件表面已经产生辉光放电。

由此可见，在未起辉之前所加偏压大小对处于活性屏中不同位置的试样表面渗氮层形成的影响是不同的。

对于距离活性屏较近(<100mm)的试样，活性屏与炉壁之间辉光放电产生的活性粒子为试样表面渗氮层的形成提供了渗氮源；而对于距离活性屏较远的试样，由于活性粒子的平均自由程较短，无法到达炉体的中心位置，因此处于炉体中心位置的试样表面几乎没有渗氮层的形成，其硬度与基体硬度相当。

2.3偏压对炉体中心试样的渗层厚度的影响经过ASPN后测得不同偏压下处于活性屏中心的试样横断面的硬度分布曲线如下图所示。

由上图可以看出，随着偏压的增大，炉子中心的试样表面渗氮层厚度逐渐增大，但当偏压小于300V 时，表面渗氮层很薄(<100／μm)，偏压为450 V时渗氮层厚度较大(300μmm以上)，偏压大于450 V时，渗氮层厚度无明显变化。

这是因为，当试样表面电压较低(≤300 V)时，根据气体放电及伏安特性曲线，试样表面尚未起辉，此时试样表面仅仅依靠从活性屏溅射下来的活性粒子进行渗氮，而从活性屏溅射下来的活性粒子平均自由程很短，很难到达处于炉体中心的试样表面以达到渗氮的目的，因此试样表面渗氮层很薄；随着偏压的增大，试样与炉壁之间的电场逐渐增强，在电场的作用下，活性粒子的平均自由程逐渐增加，从活性屏溅射下来的粒子就可以到达处于炉体中心的试样表面达到渗氮的目的；当偏压增大到420 V时，试样开始进入正常辉光放电区，表面产生辉光放电，试样表面渗氮层的形成依靠工件本身溅射产生的活性离子进行渗氮，但在420 V时试样表面的辉光较弱，溅射较弱，产生的活性粒子数量也较少，因此表面渗氮层硬度较低，厚度也很浅；当偏压达到450 V时，试样表面产生布满辉光，这时工件表面的渗氮层的形成主要依靠工件自身的溅射作用，因此渗氮层硬度和厚度都有所增加；继续增加偏压到500 V时，试样进入异常辉光放电区，渗氮层硬度以及厚度都几乎不变。

3结论(1)通过控制加在活性屏与炉壁之间的主电压值和工件与炉壁之间的偏压值，可以使活性屏在常辉光放电区工作而同时工件在正常辉光放电区工作，此时不仅可以在工件表面形成均匀的渗氮层，而且还可以避免DCPN过程中产生的边缘效应等问题，充分显示出ASPN技术的优势。

(2)对于较大直径的活性屏，在ASPN中只起到加热工件的作用，对工件渗氮层的形成不起决定性作用，仅依靠活性屏的溅射无法对远离活性屏的工件进行渗氮。

这时工件必须加上足够高的偏压才能保证整炉工件渗上氮。

当偏压低于300 V以下时，只有距离活性屏100 mm以内的工件表面有渗氮层形成；当偏压达到400～450 V时，工件进人正常辉光放电区，电压基本不变，电流逐渐增大，当辉光布满整个工件表面时进行离子渗氮，则可以避免DCPN中的边缘效应、空心阴极效应等问题，因此400一450 V即为适宜ASPN的偏压范围，此时处于活性屏中的所有试样表面都有渗氮层的形成；当偏压超过450 V时，工件表面就会进入异常辉光放电区，这就与相同，此时已显示不出ASPN的优势。