浅析真空离子氮化及其工艺研究

合创涂层吕琛

离子渗氮作为强化金属表面的一种化学热处理方法，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。
一、离子氮化原理
又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。离子渗氮是在充以含氮气体的低真空炉体内把金属工件作为阴极炉体为阳极，通电后介质中的氮氢原子在高压直流电场下被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。
图1
 
二、与气体氮化相比、离子氮化的优势
离子氮化作为七十年代兴起的一种新型渗氮方法，与气体渗氮相比具有渗氮速度快、渗氮层组织易于控制、脆性小、无环境污染、节约电能，气源、变形小等优点。
与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：
①  可适当缩短渗氮周期；
②  可控制化合物层的产生；
③  渗氮层脆性小，甚至控制到没有；
④  渗氮后的工件不需要磨削直接使用；
⑤  对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；
⑥  离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。
⑦  渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。 工作温度560-600度。
三、离子氮化工艺研究
一般认为， 离子氮化处理的工序流程包括预备热处理——清洗——装炉——屏蔽——打弧升温——保温——冷却出炉。决定氮化效果的主要因素是温度、氮源以及气压。因此我们分别研究气压、温度、氮分压以及时间及其对氮化层结构与硬度影响。
图2
通常情况下氮化层由α相、γ‘相和ε相组成。α相是氮在体心立方点阵Fe中的固溶体,γ'相是以Fe4N为基的固溶体，具有面心立方点阵结构,其中α相和γ'相具有良好的韧性，γ'相膨胀系数小。ε相是以Fe2-3N为基的固溶体，氮原子位于八面体间隙中，ε相膨胀系数、脆性和比容大，韧性随着氮含量的增加而降低。发生疲劳磨损和交变载荷的零件氮化时最好能得到γ'相为主的化合物层。
对于压铸模具应避免脆性层ε相（白亮层）出现的出现，为此设计一下实验：
（1）   在570℃、氮分压60%不同气压下H13钢渗氮后，测试样品的金相、以及硬度分布曲线，结果如下
图3 图4
 
经分析我们认为在氮分压为100pa时，渗氮层具有最优的组织结构和硬度分布。
因此，我们继续在570℃，100pa时，研究保温时间对渗氮层组织和硬度的影响：
图5图6
在保温3小时后，获得的渗氮层具有较好的硬度分布和致密组织，同时进一步分析渗层组织我们发现在570℃、100pa保温3小时后渗氮层的表面白亮层消失，下图（a）：
图7
   通常我们认为压铸模具在氮化处理后很容易出现表面龟裂、掉肉现象，很大程度上对氮化的作用造成负面影响，使得很多企业甚至不考虑氮化处理，这其中根本原因是由于渗氮层的表面出现白亮层造成的，作为传统的气体氮化工艺由于氮源中固定的氮含量使得白亮层必然会产生，而对于离子氮化来讲，可以通过控制氮化过程中的氮含量，完全可以做到没有任何白亮的脆性层，使得氮化层性能得以发挥。

合创涂层吕琛

懿予 发表于 2016-11-24 16:32
可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等，需要实践进行检验啊 ...

氮化的优点提高硬度等不用多说，离子氮化区别于普通氮化在于可以控制白亮层的产生

懿予

可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等，需要实践进行检验啊

懿予

合创涂层吕琛 发表于 2016-11-24 16:40
氮化的优点提高硬度等不用多说，离子氮化区别于普通氮化在于可以控制白亮层的产生
...

常我们认为压铸模具在氮化处理后很容易出现表面龟裂、掉肉现象，很大程度上对氮化的作用造成负面影响，使得很多企业甚至不考虑氮化处理，这其中根本原因是由于渗氮层的表面出现白亮层造成的，需要有科学证明才行啊

合创涂层吕琛

懿予 发表于 2016-11-24 17:00
常我们认为压铸模具在氮化处理后很容易出现表面龟裂、掉肉现象，很大程度上对氮化的作用造成负面影响，使 ...

有没有白亮层，一看金相就知道。普通氮化通常使用氨气，氨气分解的氮氢比是固定的，所以白亮层的形成是必然的，离子氮化使用氮气、氢气比例可调控制白亮层非常简单。

懿予

合创涂层吕琛 发表于 2016-11-24 18:59
有没有白亮层，一看金相就知道。普通氮化通常使用氨气，氨气分解的氮氢比是固定的，所以白亮层的形成是必 ...

好吧，看看效果可以进行推广

合创涂层吕琛

懿予 发表于 2016-11-24 21:26
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