关于离子氮化

关于离子氮化
一.离子氮化的基本工艺过程：
1. 阴极溅射原理：(1).离子渗氮炉零件为阴极，炉壳为阳极，氨在一定真空度下(1.3*102 —103Pa)和一定的极间电压作用下产生电离。

在辉光放电的高压电场作用下，氨
被电离成氮正离子 . 氢正离子及电子，正离子被电场加速轰击表面，一部分转变成热能加热零件，另一部分使离子直接渗入零件或产生阴极溅射。

( 2) .被轰击出来的铁原子和得到电
子的氮原子化合成 FeN 并被吸附在零件表面，在高温和继续离子轰击作用下，FeN 转变成
低价的 Fe2N Fe2-3N Fe4N a-Fe (N)等。

2. 溅射：离子轰击产生表面原子溅射，并形成薄( 0.05MM )的位错层，促进氮原子扩散，
改变了氮原子在表面的吸收，离子溅射作用使工件表面得到净化。

3. 吸附：在分解成为含氮低的化合物同时，放出活性氮，一部分向零件内部扩散，形成氮化
层，另一部分返回重新参加反应，并提高零件表面的氮势，被溅射的铁原子成为有力的“氮
载体”并.吸附在零件表面。

4. 辉光层：炉气氛中的受激原子恢复基态或电子结合成中性的原子时，发出辉光，形成几毫米厚的辉光层包围零件，氢的辉光呈淡蓝色 .氮呈紫色 .氨呈紫蓝色。

二．离子渗氮的工艺操作及注意事项：
1. 同炉处理的工件应为同种或表面积和质量之比接近的工件。

工件至阳极的距离应大致相
等，并大于 30MM 。

工件之间应有足够大的距离并要求均匀，在工件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极，安放试样时应考虑温度，尽量和工件一致。

2. 工件上有1-4MM 孔槽易引起打弧，D4-10MM 的孔槽会造成温度不均匀，锈蚀工件清洗干净后方可入炉。

3. 工件装炉后，密封炉盖和放气嘴，接通阴阳极导线。

预热并校正真空计，氨气热分解炉
应提前升温。

4. 起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度，并打开气阀充入少量的热分解氨气，使炉
压在 1.3—13.3Pa 左右。

5. 闭合高压开关，慢慢升高电压，使零件起辉。

清理阶段开始，一般宜用低气压小电流，高档限流电阻，清理阶段正常为扩散弧；但工件装卡不当，接触不良，小孔槽未屏蔽及表面大块状污，绝缘物引起局部电弧损伤工件。

起辉后 1~2h 仍在打弧不减弱，说明不正常，应分析原因或停炉。

6、打散弧清理结束后，转入升温阶段，逐渐加大供NH3 量，提高电流、电压加速升温。

对精密件变形要求严格件，升温速度小于100 c /h。

当温度到200~400 C时，孔洞和勾槽中
的机油挥发也会引起打弧，弧点集中在孔槽周围，打弧断续相间，此时可适当减小电压、气压，使打弧电流减小。

待油挥发干净后，打弧即会停止。

7、如在某个部位集中打弧，无停止迹象，可调节气压，并判明不打弧的最高气压能否维持工件升温和保温的需要，如能维持保温，可继持保温，可继续渗氮；如不能维持就停泵，打开炉膛，清除打弧源后，再重新抽真空升温。

8、当炉壳温度升到 35 C时，开始通冷却水，冷却水出口温度应低于55C。

9、升温时，应随温度升高，不断增加输入气体的流量或减少抽气率或加高气压，升温时间
能常控制在0.5~3h，升温时的电流密度应控制在4~5mA/cm2
10、保温阶段，电流密度比升温时小，可以通过调节气压、电压、氨分解温度等使电流密度一定，工作温度稳定。

这时应按工艺确定保温时间，温度在 500~540 C,电流密度是升温时的2/3，气压在 500~800Pa，辉光层厚 2~5mm。

11、保温结束后即可停电，关进气阀、蝶阀，停泵，关仪表，关氨汽化炉。

当炉壳温度低于
25 C时，再关冷却水。

12、工件在炉内自然冷却，为保证工件表面不产生氧化色，切断电源后，仍使炉内保持真空状态，并冷到150
C左右，开炉空冷。

在非渗氮部位须涂油防锈。

13、为提高设备利用率，也可通气冷却，或者用辉光冷却法，即在保温阶段结束前半小时内，
用高电压、低气压和小电流使工件维持稀薄辉光。

在停止加热后，继续通冷却水，并可通入
大量氨气（使冷速加快）。

14、对变形超差零件，应在低于渗氮温度下，部分或整体加热矫直。

15、如零件表面有蓝色，紫色等氧化色，可重新抽气，再用小电流、低气压、高电压使零件表面产生阴极溅射，几十分钟后氧化色可消失。

三•离子渗氮前的准备工作：
1. 渗氮装置及附属设备：（1）•真空计•测温仪表•热电偶应定期校对。

（2）•定期检查压升率。

（3）•定期清洗真空泵，擦洗观察窗玻璃。

（4）•水管•气管应畅通无泄漏。

2. 气源：（1）•应该用液氨的热分解气或氮氢混合气作为气源，（2）•液氨.氮气和氢气必须
经减压后使用，减压后压力应恒定，一般不超过20*104Pa。

（ 3）.液氨须经过干燥后使用（用分子筛或硅胶吸水），氮氢气的纯度（体积分数）应大于 99・8%。

3・工夹具及防渗：（1）.根据零件形状.尺寸.重量准备专用或通用夹具，防渗部位要用钢制的套.堵头•螺钉等加以屏蔽，工夹具与屏蔽物必须接触良好，与零件间形成的间隙应小于
0・5MM。

不允许在防渗部位采用镀铜.镀锡或覆盖非金属如水玻璃 .陶瓷等，（2）.一般吊挂件
下部，堆放件的上部，应增设辅助阴极或阳极，以保证零件温度均匀性。

4.试样：试样材料及预先热处理与零件相同，检验面的粗糙度Ra应小于0・8卩n并尽量
将大小厚薄.渗层要求相同的零件同装一炉。

5・零件：（1）•零件表面粗糙度 Ra应小于16 un倒棱.尖角去除毛刺，表面不得有脱碳层• 氧化皮和锈斑，（2）•轴类零件应抽查变形量，经向圆周跳动量应小于渗氮后磨削量的1/2。

（3）•零件表面和内孔应用除锈剂•洗涤剂清洗干净后方可入炉。

（4）•零件与阳极的距离最
好相等。

多件生产时，零件最好放在同一直经的圆周上，中间不放工件，零件间巨大于20MM。

（5）•长零件应垂直吊放，非工作面允许接触，但不得形成辉光集中的间隙。

（6）•热电偶测
温头要放在有代表性的位置，检查阴极引线•热电偶引线及阴极支座处是否均匀，不能短路
和间隙过大。

（7）•离子渗氮前的零件都要进行高于渗氮温度30-50C的人工时效或低温退火•
高温回火等去应力处理。

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四•离子渗氮工艺参数的选用原则:
五离子渗氮时间和层深的关系:
六.离子渗氮的温度测量和标定：
1•热电偶测温法：（1）.将热电偶直接插入零件的封闭内孔中测温，也可直接接在零件上，这样测温较准确，但炉内热电偶须同炉体绝缘，有间隙保护和橡胶密封。

热电偶丝用瓷管保护, 保证热电偶不起辉。

可以把热电偶丝弯曲成弹簧伏同零件紧密接触，但热电偶测温端与零件之间用一二片母片隔开。

（2）将热电偶插入模拟试样封闭内孔中测温，装炉时，模拟试样与零件处在相同或对称的
位置上。

（3 ）将热电偶插入测温头上，测温头与零件表面压紧接触进行测温。

凡在炉内测温的热偶
引接的二次仪表应悬空或经隔离变换。

测温头测温装置示意图如图所示：
热电偶热端到某一起辉表面的距离应小于2mm，热电偶插入孔内的深度应大于 30mm，此
时，热电偶的测量值就规定为起辉表面温度。

各种测量方法和仪表的标定要求见JB/T6956 —1993《离子渗氮》附录 A温度测定方法。

（4 ）瞬间停辉测温法：使铠装热电偶端头直接与工件表面接触，瞬间停辉测温，此法准确
可靠，操作简单，缺点是不能连续测量。

（5）玻璃水银温度计测量温法：将玻璃水银温度计从炉壁特制孔中插入，直接接触测温，
该法测温准确，仪表灵敏，但测量观察的玻璃应选用石英玻璃。

2、非接触测温法：用红外光电温度计和双波段比色温度计测量，常用WDL — 31光电温度
计与XWZK自动平衡记录仪配套使用，反应时间小于1s
3、目测法：目测不准确，仅作参考值。

工件表面微红约为520C,暗红时约为550C。

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七•离子渗氮件常见缺陷与对策
卜一•三种工艺渗层组织的特性与应用覆盖的关系:
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