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