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离子氮化技术基础知识(一)了解离子氮化技术
编辑:来源:时间:2020/7/3 8:36:10浏览次数:1154

渗氮(又称氮化)是将氮渗入钢件表面,以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性能等性能的一种化学热处理方法。

           常见的渗氮方式根据渗氮介质不同分为液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮。其中,离子渗氮以其能耗低、变形小和环保等优点越来越多地应用到工模具、航空航天、船舶、石油和汽车等领域。

       离子氮化的基本过程是活化气相、溅射、吸附、沉积和扩散。在辉光放电时,氮的正离子在电场能的作用下获得速度,对被处理的零件表面行程轰击溅射。在等离子辉光放电中铁原子与处在不同激发态的氮化合形成氮化物,氮化物以层状均匀地吸附在阴极表面上(即被处理的 零件表面)。在离子轰击下被分解成含氮较低的氮化铁和含氮的固溶体。在低氮化物分解时得到的氮,活性很大。它在表层中向内逐步扩散,生成内部的氮化物区,完成渗氮。

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       离子氮化的处理效果主要受电压、电流、频率、气压、温度、时间、气氛比例参数影响。我们接下来一一介绍一下这几个参数对离子氮化处理效果的影响。


电压:离子氮化想要持续产生辉光形成渗氮需要给定一个超过引燃电压的电压值,引燃电压的大小受气压、气氛、阴阳极距离影响,常见离子氮化电压的使用范围为400-600V。


电流:根据离子氮化炉的大小与装炉多少,离子氮化的总电流大小不同,但是要想渗氮效果好,离子氮化过程中的电流密度值(即单位面积内的电流)需要足够大,一般零件的电流密度需要达到6A/m2才能获得好的氮化效果,形状复杂的零件还需要达到8 A/m2以上。


频率:由于脉冲电源的巨大优势,离子氮化电源早在1983年就已经进入了脉冲电源时代。但是大家对于脉冲频率的选择不尽相同。一般来说,脉冲频率的常用范围是1-8 KHz,即每个周期的时间在125-1000μs。脉冲频率过高与过低都会对离子氮化过程产生不好的影响,频率过低时,容易产生零件局部温度过高、表面过热烧伤等问题,而频率过高又会影响电源功率的输出效率,都不利于离子氮化过程。目前进口的离子氮化电源都已经使用变频式电源,工艺人员可以根据需求选择适合的脉冲频率。


气压:气体压力会影响产品表面辉光层的分布,由此会影响渗氮效果的均匀性。一般使用的气体压力范围是100-400Pa,对于形状复杂的零件,会用到600Pa以上的气体压力。

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温度:氮化温度是影响离子氮化效果的最重要因素,所以离子氮化炉的温度均匀性是离子氮化设备的最重要指标。温度越高渗速越快,同时每种材料都有一个最高硬度温度点,高于或低于这个温度点,氮化后表面硬度都会下降。离子氮化的氮化温度可以在400-900℃的范围内选择,不过常见钢材的离子氮化温度范围是510-540℃,离子氮碳共渗的温度范围是550-580℃,钛合金的离子氮化温度为800-900℃。

时间:氮化的时间会根据氮化层深度要求进行选择,一般零件要求渗氮层深度为0.1-0.5mm,所以渗氮时间会在2-48h之间进行选择。

气氛比例:离子氮化常用气体是氮气、氢气、甲烷、氩气,每种气体都有自己的作用,比如氮气提供氮源,氢气主要起活化、还原、调整氮势的作用,甲烷为氮碳共渗提供碳原子来源,氩气可以提高轰击强度、压缩辉光的作用。另外调整气氛的配比还可以达到控制化合物层结构的作用,以获得单相白亮层或者形成无化合物层的渗氮组织。


相对于气体氮化,离子氮化主要具有以下几个方面的优势:

1 离子氮化渗氮速度快,尤其浅层渗氮更为突出;

2 渗氮的氮、氢等气氛可调整控制,可获得5 μm~20 μm的脆性较小的ε相单相层或约为8 pm厚的韧性Υ相单相层,也可获得韧性更好的无化合物的渗氮层;

3 离子氮化可使用氮气氢气替代氨气,压力很低,用量极少,无环境污染;

4 离子氮化轰击抵消一部分尺寸增长,变形更小;

5 易实现局部渗氮(不需渗层部分可采用简单机械屏蔽);

6 离子氮化温度可在低于450 ℃以下进行,工件畸变小;

7 可用于不锈钢、钛合金、铝合金等有色金属的渗氮。由于存在离子溅射与氢离子还原作用,工件表面钝化膜在离子氮化过程中可清除;

8 离子氮化渗氮后的组织更容易控制,尤其在化合物层疏松、脆性控制方面;

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     离子渗氮以其变形小、节能省气、绿色环保、低温渗氮等优点在工模具、航空航天、船舶、石油和汽车等领域扮演着越来越重要的角色。下一期我们会为大家介绍一下离子氮化设备的组成与发展。


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