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    離子氮化技術基礎知識(一)了解離子氮化技術
    編輯:來源:時間:2020/7/3 8:36:10瀏覽次數:821

    滲氮(又稱氮化)是將氮滲入鋼件表面,以提高其硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性能等性能的一種化學熱處理方法。

               常見的滲氮方式根據滲氮介質不同分為液體滲氮、氣體滲氮和離子滲氮。其中,離子滲氮以其能耗低、變形小和環保等優點越來越多地應用到工模具、航空航天、船舶、石油和汽車等領域。

           離子氮化的基本過程是活化氣相、濺射、吸附、沉積和擴散。在輝光放電時,氮的正離子在電場能的作用下獲得速度,對被處理的零件表面行程轟擊濺射。在等離子輝光放電中鐵原子與處在不同激發態的氮化合形成氮化物,氮化物以層狀均勻地吸附在陰極表面上(即被處理的 零件表面)。在離子轟擊下被分解成含氮較低的氮化鐵和含氮的固溶體。在低氮化物分解時得到的氮,活性很大。它在表層中向內逐步擴散,生成內部的氮化物區,完成滲氮。

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           離子氮化的處理效果主要受電壓、電流、頻率、氣壓、溫度、時間、氣氛比例參數影響。我們接下來一一介紹一下這幾個參數對離子氮化處理效果的影響。


    電壓:離子氮化想要持續產生輝光形成滲氮需要給定一個超過引燃電壓的電壓值,引燃電壓的大小受氣壓、氣氛、陰陽極距離影響,常見離子氮化電壓的使用范圍為400-600V。


    電流:根據離子氮化爐的大小與裝爐多少,離子氮化的總電流大小不同,但是要想滲氮效果好,離子氮化過程中的電流密度值(即單位面積內的電流)需要足夠大,一般零件的電流密度需要達到6A/m2才能獲得好的氮化效果,形狀復雜的零件還需要達到8 A/m2以上。


    頻率:由于脈沖電源的巨大優勢,離子氮化電源早在1983年就已經進入了脈沖電源時代。但是大家對于脈沖頻率的選擇不盡相同。一般來說,脈沖頻率的常用范圍是1-8 KHz,即每個周期的時間在125-1000μs。脈沖頻率過高與過低都會對離子氮化過程產生不好的影響,頻率過低時,容易產生零件局部溫度過高、表面過熱燒傷等問題,而頻率過高又會影響電源功率的輸出效率,都不利于離子氮化過程。目前進口的離子氮化電源都已經使用變頻式電源,工藝人員可以根據需求選擇適合的脈沖頻率。


    氣壓:氣體壓力會影響產品表面輝光層的分布,由此會影響滲氮效果的均勻性。一般使用的氣體壓力范圍是100-400Pa,對于形狀復雜的零件,會用到600Pa以上的氣體壓力。

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    溫度:氮化溫度是影響離子氮化效果的最重要因素,所以離子氮化爐的溫度均勻性是離子氮化設備的最重要指標。溫度越高滲速越快,同時每種材料都有一個最高硬度溫度點,高于或低于這個溫度點,氮化后表面硬度都會下降。離子氮化的氮化溫度可以在400-900℃的范圍內選擇,不過常見鋼材的離子氮化溫度范圍是510-540℃,離子氮碳共滲的溫度范圍是550-580℃,鈦合金的離子氮化溫度為800-900℃。

    時間:氮化的時間會根據氮化層深度要求進行選擇,一般零件要求滲氮層深度為0.1-0.5mm,所以滲氮時間會在2-48h之間進行選擇。

    氣氛比例:離子氮化常用氣體是氮氣、氫氣、甲烷、氬氣,每種氣體都有自己的作用,比如氮氣提供氮源,氫氣主要起活化、還原、調整氮勢的作用,甲烷為氮碳共滲提供碳原子來源,氬氣可以提高轟擊強度、壓縮輝光的作用。另外調整氣氛的配比還可以達到控制化合物層結構的作用,以獲得單相白亮層或者形成無化合物層的滲氮組織。


    相對于氣體氮化,離子氮化主要具有以下幾個方面的優勢:

    1 離子氮化滲氮速度快,尤其淺層滲氮更為突出;

    2 滲氮的氮、氫等氣氛可調整控制,可獲得5 μm~20 μm的脆性較小的ε相單相層或約為8 pm厚的韌性Υ相單相層,也可獲得韌性更好的無化合物的滲氮層;

    3 離子氮化可使用氮氣氫氣替代氨氣,壓力很低,用量極少,無環境污染;

    4 離子氮化轟擊抵消一部分尺寸增長,變形更??;

    5 易實現局部滲氮(不需滲層部分可采用簡單機械屏蔽);

    6 離子氮化溫度可在低于450 ℃以下進行,工件畸變??;

    7 可用于不銹鋼、鈦合金、鋁合金等有色金屬的滲氮。由于存在離子濺射與氫離子還原作用,工件表面鈍化膜在離子氮化過程中可清除;

    8 離子氮化滲氮后的組織更容易控制,尤其在化合物層疏松、脆性控制方面;

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         離子滲氮以其變形小、節能省氣、綠色環保、低溫滲氮等優點在工模具、航空航天、船舶、石油和汽車等領域扮演著越來越重要的角色。下一期我們會為大家介紹一下離子氮化設備的組成與發展。


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