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離子氮化技術(shù)基礎知識(一)了解離子氮化技術(shù)
編輯:來(lái)源:時(shí)間:2020/7/3 8:36:10瀏覽次數:4377

滲氮(又稱(chēng)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(xué)熱處理方法。

           常見(jiàn)的滲氮方式根據滲氮介質(zhì)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(huán)保等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地應用到工模具、航空航天、船舶、石油和汽車(chē)等領(lǐng)域。

       離子氮化的基本過(guò)程是活化氣相、濺射、吸附、沉積和擴散。在輝光放電時(shí),氮的正離子在電場(chǎng)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(fā)態(tài)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(shí)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(shí)間、氣氛比例參數影響。我們接下來(lái)一一介紹一下這幾個(gè)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(chǎn)生輝光形成滲氮需要給定一個(gè)超過(guò)引燃電壓的電壓值,引燃電壓的大小受氣壓、氣氛、陰陽(yáng)極距離影響,常見(jiàn)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(guò)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(yōu)勢,離子氮化電源早在1983年就已經(jīng)進(jìn)入了脈沖電源時(shí)代。但是大家對于脈沖頻率的選擇不盡相同。一般來(lái)說(shuō),脈沖頻率的常用范圍是1-8 KHz,即每個(gè)周期的時(shí)間在125-1000μs。脈沖頻率過(guò)高與過(guò)低都會(huì )對離子氮化過(guò)程產(chǎn)生不好的影響,頻率過(guò)低時(shí),容易產(chǎn)生零件局部溫度過(guò)高、表面過(guò)熱燒傷等問(wèn)題,而頻率過(guò)高又會(huì )影響電源功率的輸出效率,都不利于離子氮化過(guò)程。目前進(jìn)口的離子氮化電源都已經(jīng)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(huì )影響產(chǎn)品表面輝光層的分布,由此會(huì )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(huì )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(shí)每種材料都有一個(gè)最高硬度溫度點(diǎn),高于或低于這個(gè)溫度點(diǎn),氮化后表面硬度都會(huì )下降。離子氮化的氮化溫度可以在400-900℃的范圍內選擇,不過(guò)常見(jiàn)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(shí)間:氮化的時(shí)間會(huì )根據氮化層深度要求進(jìn)行選擇,一般零件要求滲氮層深度為0.1-0.5mm,所以滲氮時(shí)間會(huì )在2-48h之間進(jìn)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(lái)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(wú)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(gè)方面的優(yōu)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(wú)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(wú)環(huán)境污染;

4 離子氮化轟擊抵消一部分尺寸增長(cháng),變形更??;

5 易實(shí)現局部滲氮(不需滲層部分可采用簡(jiǎn)單機械屏蔽);

6 離子氮化溫度可在低于450 ℃以下進(jìn)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(guò)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(huán)保、低溫滲氮等優(yōu)點(diǎn)在工模具、航空航天、船舶、石油和汽車(chē)等領(lǐng)域扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。下一期我們會(huì )為大家介紹一下離子氮化設備的組成與發(fā)展。


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