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 α-Fe （N）等。氮化铁有什么性质？氮化表面的氮化物对材料性能有什么影响？还会生成其他的一些氮化物吗？

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℃/h。当温度到200~400℃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℃时，开始通冷却水，冷却水出口温度应低于55℃。

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℃，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℃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℃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0.8μn ，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1.6μn，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30-50℃的人工时效或低温退火.高温回火等去应力处理。2

四.离子渗氮工艺参数的选用原则：