离子渗氮工艺原理

离子渗氮工艺原理
【2009-1-8】
﹝一﹞钢的渗氮
渗氮是把氮渗入钢件的表面，形成富氮硬化层的化学热处理过程。

在工业生产中，常用的工艺方法有：气体渗氮、盐浴渗氮和离子渗氮。

1．渗氮工艺的特点
﹝1﹞渗氮后的零件表面具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度和低的缺口敏感性。

﹝2﹞渗氮温度较低，一般在500-600℃，而且，渗氮层的高硬度可以由渗氮直接得到，不需要经过较高温度的加热和淬火。

所以，渗氮工艺的变形是最小的，常常作为零件的最后一道工序。

﹝3﹞渗氮层有较高的抗腐蚀性能。

2．渗氮工艺的化学过程
渗氮和其他化学热处理工艺一样，也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。

﹝1﹞分解
渗氮介质﹝通常为氨气﹞通过热分解或其他方法，生成活性氮原子。

﹝2﹞吸收
钢表面吸收氮原子，形成氮在铁中的固溶体和氮化物。

﹝3﹞扩散
氮从表面高浓度的饱和层向钢内层深处进行扩散，形成一定深度的渗氮层。

3．渗氮层的组织
根据Fe-N状态图，渗氮层主要由α、γ、γ，、ε四个相组成。

﹝1﹞α相
氮在α-Fe中的间隙固溶体。

最大溶解度为0.1％。

﹝2﹞γ相
氮在γ-Fe中的间隙固溶体。

﹝3﹞γ，相
为一可变成分的间隙相化合物，含氮量在5.7-6.1％之间，成分符合Fe4-N。

﹝4﹞ε相
是含氮量变化范围相当宽的化合物，成分在8.25-11.0％之间变化。

ε相硬度高，脆性大。

4．合金元素的作用
碳钢和合金钢中由于碳和合金元素的作用，也影响渗氮层的形成。

碳的存在会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。

钢中大部分合金元素都能形成氮化物，按氮化物的稳定性﹝稳定性越高，硬度也越高﹞次序排列依次为：Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。

所以，为了在表面得到高的硬度和耐磨性，必须向钢中加入能与氮形成稳定氮化物的合金元素。

同时，V、W、Mo、Cr等合金元素还能改善钢的组织，提高心部的强韧性。

合金元素也会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。

﹝二﹞离子渗氮工艺原理
离子渗氮渗氮层的形成也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。

但是，由于辉光放电的作用，其机理有所不同。

在真空炉体内，工件接阴极，炉体接阳极，在阴阳极间施加数百伏的直流电压，产生辉光放电，使含氮的稀薄气体﹝如氨气﹞电离，形成等离子体。

N+、H+离子在阴极位降区被加速，轰击阴极表面，使阴极表面活化，并发生一系列反应。

首先，离子轰击动能转化为热能，
加热工件。

其次，离子轰击打出电子，产生二次电子发射，同时，由于阴极溅射作用，工件表面的C、O、Fe等原子被轰击出来，Fe与阴极附近的活性N原子﹝或N离子﹞结合形成FeN沉积在阴极表面，依次分解：FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N，并同时产生活性N原子，由于阴极由表及里的高N浓度差，活性N原子在一定温度下，向心部扩散形成渗氮层。

离子渗氮物理基础
【2009-1-8】
离子渗氮物理基础
离子渗氮是在真空炉体内，通过稀薄气体的辉光放电，形成的由离子、电子和中性粒子所构成的等离子体中进行的，所以，有必要了解有关的知识。

﹝一﹞真空
真空是相对大气而言。

所谓真空，是指在给定的空间内，气体分子密度大大低于周围大气压下的气体分子密度的状态。

通常用真空度来衡量气体分子密度大小的程度，真空度常用压强单位来表示，真空度越高，则气体分子密度越小，也就是压强低，反之，真空度越低，则气体分子密度越大，也就是压强高。

所以，真空度高和压强低是同义的。

真空计量中，采用了Torr﹝托﹞和Pa﹝帕﹞等单位：
1Torr＝1/760atm﹝标准大气压﹞1Torr＝133.3Pa
1Pa＝1N﹝牛顿﹞/m2 1Pa＝7.5006×10-3 Torr
﹝二﹞稀薄气体放电
1．等离子体
等离子体是由离子、电子及中性粒子所构成的一种电离气体,整体显电中性。

等离子体中由于有大量的带电粒子,所以具有良好的导电性。

等离子体中的带电粒子在外电场的作用下，向与自己电极性相反的电极做带有方向性的运动，使气体通导电流。

等离子体化学反应比热化学反应更容易进行。

2．稀薄气体放电伏安特性
为获得等离子体必须使中性粒子电离，离子渗氮的是利用稀薄气体放电而获得等离子体的。

在稀薄气体的真空容器内的两个电极施加电源电压到c点时，阴阳极间电流突然增大，阴极部分表面开始产生辉光，阴阳极间电压下降。

随后电源电压增大，阴极表面产生的辉光面积增大，但阴阳极间电压不变，至d点，阴极表面完全被辉光覆盖。

此后，电流增加，阴阳极间电压随之增加。

超过e点，电流剧烈增大，阴阳极间电压突降，辉光熄灭，阴极表面出现弧光放电。

c点对应的电压称为辉光点燃电压。

从c点至d点，称为正常辉光区，从d点至e点，称为异常辉光区。

离子渗氮工作在异常辉光区，在此区辉光均匀覆盖工件表面，且可通过改变阴阳极间电压及阴极表面电流密度，实现工艺参数调节。

气体性质、电极材料及温度一定时，辉光点燃电压与气体压强和阴阳极距离的乘积有关，离子渗氮的点燃电压为400-500V。

3．辉光放电
辉光放电气压一般为数十帕至数千帕，电流密度为数毫安/平方厘米, 电压数百伏，是高电压小电流密度的放电。

﹝1﹞辉光放电的发光分布
辉光是原子由激发状态回到基态，或由电离态变成复合态时放出的电磁波。

不同气体的电
磁波的波长不一样，辉光颜色也就不同。

辉光从阴极到阳极的分布是不均匀的，从阴极到阳极分为阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗
区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区等几个区域，各区域的辉光亮度和
电压位降都不一样。

﹝2﹞阴极位降区
阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区三区宽度之和总称为阴极位降区dk, 阴阳极间电压主要
降落在阴极位降区之内。

阴极位降区dk与电压、气压、气体成分有关。

阴极位降区dk与气压呈反比﹝p×dk＝常数﹞，它是维持辉光放电不可缺少的区域，若阴
阳极距离d＜dk，辉光就熄灭。

利用此原理，可以对阴极进行间隙保护。

﹝3﹞空心阴极辉光放电
阴极位降区dk加上负辉区的长度称为阴极放电长度d辉。

两个阴极都产生辉光放电的情
况下，当两个阴极距离d1，2＜2 dk时，辉光熄灭；两个阴极距离d1，2＞2d辉时，两个阴
极位降区互相独立，互不发生影响，辉光放电正常进行；当两个阴极距离d1，2＜2d辉时，
两个负辉区合并，电流密度增加，辉光强度增强，这种现象称作空心阴极效应。

在离子渗氮
工艺操作时，常常通过调整气压p等工艺参数，来调整d辉，控制空心阴极效应产生。

4．弧光放电
弧光放电一般电压为数十伏，电流密度为数百安/平方厘米，是低电压大电流密度的放电。

放电发生在阴极局部。

弧光放电形成的原因主要有热电子发射和场致电子发射。

离子渗氮工艺
【2009-1-8】
﹝一﹞离子渗氮工艺参数
1．渗氮温度
渗氮温度是重要的工艺参数，温度的高低直接影响渗氮速度﹑硬度及渗氮层组织。

在一定渗氮温度范围内，温度越高，氮原子迁移及扩散的能力越强，渗氮速度越快，渗氮层也就越厚。

不同材料渗氮温度有一最佳值，在此温度下，渗氮层硬度最高。

2．渗氮时间
渗氮层与渗氮时间呈抛物线关系。

3．气体成分
生产上常用的离子渗氮气体主要有氨气﹝NH﹞﹑N+H及热分解氨。

在离子渗氮气体的基础上加一定比例的含碳气体﹝如酒精﹑丙酮的蒸发气﹞，可进行离子NC共渗﹝离子软氮化﹞。

4．气压
气体压力影响辉光放电特性，气压高，阴极位降区d小，辉光层薄；气压低，阴极位降区d大，辉光层厚。

一般离子渗氮气压在数百Pa。

对有孔﹑窄槽的工件，要注意调整气压，改变阴极放电长度d，避免出现空心阴极效应。

5．电参数
离子渗氮的电压和电流密度主要取决于渗氮温度的高低及气压等，一般在保温阶段电流密度为0.5-5mA/cm,电压600-700V。

﹝二﹞适于离子渗氮的材料
1．碳钢
碳钢的渗氮效果较差，渗层硬度低。

所以，一般采用离子NC共渗﹝离子软氮化﹞，提高表面硬度，满足要求不高的表面耐磨零件﹝如汽车摩擦片﹞。

2．合金结构钢
典型的渗氮合金结构钢有38CrMoAl﹑42CrMo﹑40Cr﹑35CrMo﹑20CrMnTi﹑20Cr﹑50CrV﹑P20等材料,通过渗氮,得到高的表面硬度﹑耐磨性和抗疲劳性能。

广泛地应用于齿轮﹑轴套等机械零料模具。

合金结构钢的预先热处理一般为调质处理，渗氮温度必须低于调质回火温度，保证心部强度不会降低。

3．工模具钢
热作模具钢3Cr2W8V﹑H13﹑8407等材料制做的热作模具﹝如压铸模﹑挤压模等﹞经过渗氮后，大大提高耐磨性﹑疲劳强度﹑抗蚀性及减小粘附能力。

高速钢及Cr12MoV﹝高淬高回﹞等材料制做的刀具﹑冷作模具及工具，经过渗氮处理，可大大提高使用寿命。

4.铸铁
离子渗氮对于合金铸铁和球墨铸铁也有广泛应用。

内燃机曲轴﹑钢套等零件离子渗氮后有良好的效果。

5. 不锈钢
离子渗氮能够大幅度提高Cr13型和1Cr18Ni9Ti等不锈钢的硬度和耐磨性。

﹝三﹞离子渗氮工艺的几个问题
1．渗氮工件的温度测量
普通热处理设备是利用电热体发热加热工件，炉膛内温度基本一致，测温热电偶的温度也能代表工件温度。

离子渗氮工件是靠自身辉光放电加热，而且由于工件带阴极电位，热电偶也不能与接接触，所以，测温热电偶的温度与工件温度往往不一致。

炉内工件越少，热电偶距离工件越远，热电偶的温度与工件温度相差越大。

实际工艺操作时，经常采取目测温度﹑模拟测温等方法，弥补测温不准确的问题。

2．温度均匀性
离子渗氮工件是靠自身辉光放电加热，同一炉的不同工件，质量不同，表面积不同，受热也不同。

所以，工件温度可能不均匀。

实际工艺操作时，同一炉工件相差不要太悬殊。

要考虑工件的装炉方式，质量大，表面积小的工件受热条件差，温度可能偏低，装炉时，放在阴极盘的内圈或下部，必要时，加适当的辅助阴3．带有小孔、窄缝工件的处理
带有小孔、窄缝的工件，容易产生空心阴极效应，导致局部电流密度过大，温升过高而产生弧光放电，工艺不能进行。

最好将小孔、窄缝屏蔽﹝堵或盖﹞，如果不易屏蔽，则必须调整气压，阴极放电长度d，避免产生空心阴极效应。

4．减小渗氮工件变形的措施
离子渗氮工件的变形很小，一般可以满足工件的精度要求。

对于精度要求很高的工件，可以采取以下措施，减小变形：
﹝1﹞缓慢升温
﹝2﹞在精加工前，增加一道失效处理工艺，消除冷加工应力。

﹝四﹞常用钢离子渗氮工艺
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离子渗氮工艺质量检验
【2009-1-8】
1．渗氮层厚度
渗氮层包括化合层和扩散层，渗氮层厚度和时间呈抛物线关系。

常用金相法和硬度法测量渗
氮层厚度。

﹝1﹞金相法
将金相试样磨制，经过试剂﹝化合层用2-4％硝酸酒精溶液，扩散层用5％苦味酸酒精溶液﹞
腐蚀后，用金相显微镜放大100-200倍测量，从表面测至与基体有明显界限为止，其长度即
为渗氮层厚度。

﹝2﹞硬度法
用100g负荷的维氏硬度计从表面至心部垂直打硬度，打到高于基体硬度30-50Hv处,从表面
至此处的距离做为渗氮层厚度。

2．渗氮层硬度
渗氮层的表面硬度用5-10Kg负荷的维氏硬度计测量，渗层厚度≤0.2mm时，负荷不应超过
5Kg。

化合层的表面硬度用50-200g负荷的显微硬度计测量。

3．渗氮层脆性检查
用10Kg负荷的维氏硬度计打渗氮试样表面，以压痕的完整程度评定脆性。

离子氮化设备简介
【2009-2-25】
辉光离子氮化设备简介
武汉安德热处理设备有限公司是专门从事离子氮化工艺研究、设备生产的专业公司。

对辉光离子氮化炉的设计、生产积累了丰富经验。

主要产品有LD系列离子氮化炉、LDMC 系列脉冲离子氮化炉、带辅助加热的离子氮化炉。

我公司的用户遍及全国二十余省、市的机械行业，我们的优质产品和服务得到用户的好评和信赖。

我们的设备能够为用户提高产品质量，创造更大的效益是我们工作的目标。

一. 离子氮化工艺
离子氮化是一种可以显著提高钢铁零件表面硬度﹑耐磨损﹑耐疲劳和耐腐蚀性能的化学热处理工艺。

将欲处理零件置于真空炉体内，在真空条件下，往炉内充以稀薄的含氮气体。

零件接离子电源阴极，炉体接阳极，阴阳极接数百伏直流电压。

由于电场作用，炉内稀薄气体被电离，氮离子定向撞击阴极（零件），零件表面产生辉光放电并被加热。

在一定气氛和一定温度下，零件表面复合、吸收氮原子，形成高浓度的含氮层并向心部扩散，经过一段时间，得到工艺要求所需要的氮化层。

离子氮化工艺由于其节能﹑省气﹑效率高﹑质量好﹑无污染等优点，在动力﹑机床﹑石化机械﹑轻纺机械﹑摸具等行业中得到了广泛应用。

二. 离子氮化设备
设备主要用于机械零件的离子氮化、离子氮碳共渗(软氮化)等离子化学热处理工艺，使机械零件表面改性，获得所需要的机械性能和物理化学性能。

成套设备由离子电源﹑真空炉体﹑真空获得系统﹑测控温系统﹑供气系统等组成。

2.1 离子电源
离子电源是离子氮化设备中的关键部分，离子电源是否稳定可靠直接影响整台设备的正常工作和工艺质量的好坏。

离子电源分为直流离子电源和脉冲离子电源，用户可根据需要选用。

2.1.1直流离子电源
直流离子电源主要包括整流变压器﹑可控硅整流电路﹑L-C振荡灭弧电路﹑截止反
馈电路﹑控制电路。

直流离子电源具有阴阳极短路、过流过压、缺错相、误操作等保护功能。

2.1.2 脉冲离子电源
脉冲离子电源是在直流离子电源的基础上加装由IGBT元件及控制电路组成的斩波器，通过斩波得到占空比可调的脉冲电流。

脉冲电源与直流电源相比具有灭弧快、节能（省电20%左右）等优点，是直流电源的更新换代产品，该电源可广泛应用于离子渗氮、离子渗碳、离子渗金属等领域。

脉冲离子电源设有阴阳极短路、过流过压、缺错相、误操作等保护，提高了电源应对外界因素的自身保护功能。

我公司生产的脉冲离子电源分为仪表控制型和计算机控制型两大类。

2.1.2.1仪表控制型脉冲离子电源
用户可根据工艺要求预先在温度控制器中设定多段升温曲线、保温平台，在压力控制器中设定多段升压曲线、保压平台，通过模糊自适应PID调节控制，确保温度、压力完全按设定的工艺进行，完成整个工艺过程的自动控制。

这样，节约了人力，避免了人工操作对工艺质量的影响，使工艺质量的稳定性和重现性大大提高。

下图为某工艺的温度曲线和压力曲线，在温度控制器和压力控制器中设定完成即可。

2.1.2.2计算机控制型脉冲离子电源
计算机控制型脉冲离子电源已在生产厂家获得了广泛应用。

其主机采用日本三菱可编程控制器和通用商业计算机（或工业计算机），采用MCGS 中文工控组态软件。

具有10段升温保温PID控制，仪表控温精度±1℃，10段升压保压控制，压力控制精度在±1Pa。

赏心悦目的界面令您在轻松的环境下工作，清晰的视窗界面和提示使操作简捷容易，方便灵活的程序编排让您在处理过程中可根据需要及时调整工艺参数设置。

可储存历史工艺参数，便于日后检查和调用。

整个工艺过程实际的温度和炉压数据存储在计算机中，经图形软件处理后以彩色图形曲线方式显示在计算机屏幕上，并可打印保存，这对分析和改进工艺有很大的帮助。

以下为我公司一设备的历史曲线的窗口界面
该画面可查询历史记录的曲线，包括目标曲线和实际曲线。

说明：该画面红实线为记录的温度实际曲线，蓝实线为记录的压力实际曲线。

计算机控制型脉冲离子氮化设备大大提高了工艺质量，给使用者带来了极大的方便。

2.2 真空炉体
炉体由具备国家二级压力容器生产许可证的我公司的定点协作单位负责制造。

真空炉体分为普通炉体和带辅助加热炉体，用户可根据需要选用。

2.2.1普通炉体
设备的真空炉体分井式（零件吊挂）、罩式（零件堆放）和综合式三种供用户选购。

真空炉体由炉筒和炉底盘组成。

炉筒体用钢板焊接而成，为双层结构，中间可通水冷却。

各密封面﹝槽﹞用真空橡胶密封圈密封。

炉内装有不銹钢隔热屏﹑阴极盘。

炉筒上开有观察窗。

进气接口装在炉体顶部。

炉底盘上装有阴极输电接口﹑测温接口﹑测压接口﹑抽气接口等。

阴极输电装置由阴极杆、密封件、绝缘垫、承重柱和气隙套组成。

阴极引线通过阴极输电装置与阴极盘相连。

下图为设备的阴极输电装置示意图。

真空炉体必须有良好的密封，以保证工艺对真空度的要求。

根据加工零件尺寸和生产能力的要求，真空炉体必须有足够的工作容积。

2.2.2带辅助加热炉体
为提高加热效果和炉内温度均匀性，可选择带辅助加热炉体。

在普通炉体内加装电热合金丝（带）、陶瓷绝缘体和固定架组成的辅助加热组件组成带辅助加热炉体。

辅助加热必须配套配置相应的低电压大电流辅助加热电源。

2.3 真空获得系统
真空获得系统由旋片式机械真空泵﹑真空电磁阀﹑真空蝶阀组成，通过真空管道与真空炉体连接。

低真空计用于测量真空炉体真空度。

2.4 测控温系统
测控温系统由热电偶﹑控温电路和控温仪表组成。

由热电偶得到温度毫伏信号，通过控温仪表PID调节和相关电路，精确控制工件温度。

2.5 供气系统
供气系统由氨气瓶、氨气减压器、转子流量计（或质量流量计）和输气管道组成。

设备配有两只流量计，一只用于氨气流量调节，一只用于渗碳气流量调节，两种气体经过流量计后混合通入炉内，通过调节流量比例可实现氮碳共渗工艺（软氮化）。

三. 离子氮化设备主要技术参数和技术指标
3.1直流离子电源主要参数
直流输出电压： 0—1000V可调
3.2脉冲电源主要参数
脉冲频率（脉冲电源）： 1000Hz
控制方式（脉冲电源）：定频调宽
输出波形（脉冲电源）：矩形方波
极限真空度：≤6.67Pa
压升率：≤0.133Pa／min
仪表控温精度：±1℃
四.设备特点
本公司在离子氮化设备及工艺方面积累了大量的经验，注重于设备的可靠性，稳定性和先进性。

设备主要有以下技术特点：
1.真空炉体制造增加焊接后时效工序，法兰密封面磨削加工。

长期保证密封面不变形，从而保证了真空密封要求。

2.保护截止电路特殊设计，即使阴阳极之间短路，也能自动保护，决不损坏设备和炉内零件。

3.电源的整流电路的可控硅﹑二极管和脉冲发生电路的IGBT元件全部采用进口摸块，线路简单，质量可靠。

4.操作按钮互相设有保护，即使操作人员失误操作，也不会损坏设备。

5.动作控制采用固化电路，线路简单，大大提高可靠性。

6.温度和压力控制采用自适应PID调节。

保证控制精度，减少电参数波动。

五.售后服务和技术服务
为使本公司设备能够在用户的生产中发挥更大的作用，按交钥匙工程的规范要求，我们建立了成套的系统服务。

包括以下内容：
1.在用户生产现场进行设备安装和调试。

2.设备保修一年。

3.长期提供维修和配件供应服务。

4.对用户的操作人员和维修人员进行离子渗氮工艺和设备技术讲座、设备操作和维修培训。

六.定购设备说明
6.1.希望用户提供的资料
1.氮化零件的材料、技术要求、前后工序情况，便于确定最佳氮化工艺。

2.氮化零件简图、重量、批量，便于帮助用户选择设备功率、炉型和炉体相关尺寸。

6.2.设备使用的必要条件
1.与设备功率相匹配的50Hz380V三相交流电源。

2.自来水或循环冷却水（压力≧1.5㎏）。

3.渗氮气源（一般使用氨气）。

4.一定面积和一定高度的厂房。

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