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● 離子滲氮法

 離子滲氮法是由德國人B.Berghaus于1932年發(fā)明的。目前，我國在離子滲氮的某些理論和技術(shù)方面已處于世界先進水平。該法在0.1-10Torr的含氮氣氛中，以爐體為陽極，被處理工件為陰極，在陰陽極間加上數(shù)百伏的直流電壓，由于輝光放電現(xiàn)象便會產(chǎn)生象霓虹燈一樣的柔光覆蓋在被處理工件的表面。此時，已離子化了的氣體成份被電場加速，撞擊被處理工件表面使其加熱。同時依靠濺射及離子化作用等進行滲氮處理。

綜上所述，離子滲氮是在真空爐體內(nèi)，通過稀薄氣體放電，形成由離子、電子和中性粒子所構(gòu)成的局部電離狀態(tài)（即等離子體）中進行處理的。

離子滲氮開始應(yīng)用于生產(chǎn)實際，至今已經(jīng)有四十余年，等離子滲氮已經(jīng)成為離子熱處理技術(shù)中比較成熟、正在普及、富有生命力的工藝之一。

● 離子滲氮特點

與氣體滲氮相比，離子滲氮具有許多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在 ：

一、由于離子滲氮不是依靠化學(xué)反應(yīng)作用，而是利用離子化了的含氮氣體進行滲氮處理，所以無需防止公害的環(huán)保設(shè)備。因此，離子滲氮法也被稱為二十一世紀(jì)的“綠色滲氮法” 。

二、離子滲氮是在真空中進行，因而可獲得無氧化的加工表面，也不會損壞被處理工件的表面光潔度。而且由于是在低溫下進行處理（380℃起即可進行氮化處理），被處理工件的變形量小，尺寸穩(wěn)定性好，可以滿足模具及高精度的零部件要求，處理后無需再進行加工，適合于成品的處理。

三、氣體滲氮時間長，表面粗糙，硬而脆不耐磨。氣體滲氮的工件，表面通常會出現(xiàn)較厚（20um以上）的化合物層，這是由ε+γ′兩相組成的不均勻混合物層，里層則為擴散層。因此，在化合物層內(nèi)產(chǎn)生三向顯微應(yīng)力，若在此應(yīng)力方向上再略加外力，就會產(chǎn)生微小裂紋，此裂紋逐漸擴展而使整個化合物層剝落。含鉻、鋁滲氮鋼的化合物層很脆，氣體滲氮后一般均要把它磨去后才能使用。而離子滲氮可以通過控制氣氛中氮氣和氫氣的比例，可以獲得5-30um厚的脆性較小的ε相單相層或0-8um厚的韌性γ′相單相層，也可以得到韌性更優(yōu)的無化合物層而僅有擴散層的滲氮層，這樣可以不需要磨削直接裝機使用。

四、由于不銹鋼表面鈍化膜的阻礙，傳統(tǒng)的氣體滲氮前需要做去鈍處理，因工藝十分繁雜，且不易控制，效果也難保證。離子滲氮的濺射作用可有效地除去這層鈍化膜，而無需做去鈍處理，因此離子滲氮工藝為不銹鋼的表面強化提供了一條新的途徑。

五、經(jīng)離子滲氮的工件滲氮層致密性好，硬度高，耐磨性、抗咬合性及抗蝕性等方面均優(yōu)于氣體滲氮。

● 等離子體的概念

    等離子體是指一種電離氣體，是由離子、電子和中性粒子所組成的集合體，整體顯中性，它是一種由帶電粒子組成的電離狀態(tài)，稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

● 等離子體的獲得

要獲得等離子體需要使中性粒子電離，而使中性粒子電離的方法有很多種，以下列出其中的三種方法：

( 1 ) 低氣壓氣體放電獲得等離子體。離子滲氮爐就是利用這種方法。

( 2 ) 利用高能粒子的方法。如核聚變所用的方法。

( 3 ) 利用電磁波能量的方法。如X射線、γ射線使氣體電離。

● 等離子體的性質(zhì)

( 1 ) 等離子體在宏觀上是電中性的。

( 2 ) 雖然是電中性的，但由于體系中包含有大量的帶電粒子（電子和離子），而且濃度很高，所以具有很好的導(dǎo)電性。

( 3 ) 等離子化學(xué)反應(yīng)容易進行。

● 影響離子滲氮效果的主要因素

一種零件能否采用離子滲氮來進行表面強化，應(yīng)根據(jù)該零件在實際使用條件下服役狀況而定，否則可能適得其反。

從理論上講，幾乎所有的鋼鐵材料均可以實施離子滲氮處理，但不同的材料滲氮后實際使用效果卻有著很大的差異。即使是同種材料，其預(yù)先熱處理狀態(tài)不同，滲氮后的實際使用效果也會不同。這說明，材料的滲氮效果一方面與材料的選擇有關(guān)，另一方面還與該材料的前期機械加工和預(yù)先熱處理有關(guān)。

● 滲氮前為什么要進行預(yù)先熱處理

      為了保證滲氮件心部具有必要的力學(xué)性能（也稱機械性能），消除加工過程中的內(nèi)應(yīng)力，減少滲氮變形，為獲得良好的滲層組織性能提供必要的原始組織，并為機加工提供條件，零件滲氮前一般均應(yīng)進行不同的預(yù)先熱處理。

● 氣體成份對滲層組織的影響

目前，常用于離子滲氮的介質(zhì)有NH?、熱分解氨、N?﹢H?等三種，在此基礎(chǔ)上，再加入少量的乙醇或丙酮、CO?、丙烷等作為碳的來源，即可實現(xiàn)離子軟氮化工藝。

氨氣通常由液氨汽化而成，因其價格低廉、來源廣泛、使用方便，已成為使用比較廣泛的離子滲氮介質(zhì)。但直接使用氨氣也有不少缺點。其中主要的缺點是氮勢不能控制，這是由于氨在爐內(nèi)的分解率隨進氣量、溫度和起輝面積而改變。因此直接用氨氣進行離子滲氮無法控制滲層組織。一般只能得到ε+γ′相的混合化合物（存在一定的脆性）。此外，因爐內(nèi)各處氣體分解情況不同，會造成工件表面電流密度不均而使零件溫度不均勻。盡管如此，對多數(shù)性能要求不太高的工件來說，NH?仍是使用比較多的離子滲氮氣源。

N?﹢H?的混合氣體在生產(chǎn)實踐中廣泛應(yīng)用。離子滲氮時，H?作為稀釋氣體加入，可以大大降低滲氮反應(yīng)的活化能，氫氣還起還原零件表面氧化物的作用，以獲得“活性”’的表面，降低了對設(shè)備漏氣率的要求。與氨氣相比，可更方便的調(diào)節(jié)滲氮氣氛的氮勢，較容易控制滲氮層的組織。

爐內(nèi)氣氛對滲氮層組織結(jié)構(gòu)有直接影響，研究表明：

( 1 ) 提高混合氣體中的氮濃度，易促成ε相的形成，而使γ′相減少。降低氮濃度，易形成γ′相。但濃度太低時，滲氮層會減薄，滲速降低。

( 2 ) 化合物層中ε相體積百分數(shù)均隨著含氮氣氛比例的增加而增加，當(dāng)增加到某一臨界值時，化合物層中開始出現(xiàn)FeC?,此時ε量達到max值，若繼續(xù)加大含碳氣氛比例，則ε相的量逐步減少，直到ε%=0，化合物層全變?yōu)镕e?C。

( 3 ) 化合物層中的γ′含量始終隨含碳氣氛比例的增加而減少。Fe?C總是隨碳氣氛比例增加而增加

( 4 ) 含碳氣氛的臨界量與被處理材料的含碳量有關(guān)。隨鋼中含碳量增加，其臨界量降低，反映了鋼中的碳參與了化合物層的形成。

( 5 ) 用CO?+NH?離子軟氮化時，有Fe?O? 相生成。隨著CO?比例的增加，ε%減少，F(xiàn)e?O?%增加，而γ′%變化不大。

( 6 ) 若想獲得單一ε相，只有對某些鋼采用離子軟氮化的方法才能獲得。

● 滲氮前常用的預(yù)先熱處理工藝

常用的預(yù)先熱處理工藝有調(diào)質(zhì)、淬火+回火、正火及退火。

 ( 1 ) 調(diào)質(zhì)是結(jié)構(gòu)鋼常用的預(yù)先熱處理工藝，調(diào)質(zhì)的回火溫度至少要比滲氮溫度高30-60℃?；鼗饻囟葢?yīng)根據(jù)基體性能和滲層性能的要求綜合確定。

調(diào)質(zhì)引起的脫碳對滲層脆性和硬度影響很大，所以調(diào)質(zhì)前的工件應(yīng)留有足夠的加工余量，以保證機械加工時能將脫碳層全部切除。

對滲氮后變形要求很嚴(yán)的工件，在精加工前（如精磨）還應(yīng)進行一次或多次穩(wěn)定化處理，穩(wěn)定化處理溫度應(yīng)低于調(diào)質(zhì)溫度而高于滲氮溫度。

( 2 ) 工、模具鋼滲氮前預(yù)先熱處理工藝一般采用淬火+回火。

( 3 ) 馬氏體不銹鋼滲氮前的預(yù)先熱處理工藝一般采用淬火+回火，目的是為了消除加工應(yīng)力和改善組織，對硬度要求不高的滲氮件可采用退火處理。奧氏體不銹鋼通常采用固溶處理。

( 4 ) 正火預(yù)先熱處理只適用對心部強度和韌性要求不高的滲氮件。

( 5 ) 球鐵的預(yù)先熱處理多采用正火處理。

( 6 ) 退火處理在鈦合金中運用較多，結(jié)構(gòu)鋼很少采用退火處理。38CrMoAl鋼不允許采用退火處理，否則滲層組織中易出現(xiàn)針狀氮化物。

( 7 ) 對于經(jīng)過變形處理（如沖壓、鍛模、機加工等）的零件，應(yīng)進行去應(yīng)力退火處理，以減少滲層變形。

       特別強調(diào)的是，細小的原始組織比粗大的原始組織滲氮后有更高的表面硬度及良好的硬度梯度，因此，正火時冷卻速度不宜過慢，調(diào)質(zhì)時回火溫度不應(yīng)過高，保溫時間不應(yīng)太長。截面尺寸大的零件不宜用正火態(tài)，而應(yīng)調(diào)質(zhì)處理?？傊?，滲氮前采用何種預(yù)先熱處理工藝，應(yīng)根據(jù)工件的使用性能綜合確定。

● 鋼材硬度換算表