（材料加工工程专业论文）空心阴极辅助离子渗氮研究.pdf

中文摘要 摘要 离子渗氮以其渗速快、热效率高，渗层质量高、综合力学性能好受到广泛关 注。离子渗氮不仅能实现可控氮化和局部硬化，不生成脆性相，且渗层致密，有 更高的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能。然而现阶段仍然存在一些问题需要解决和 讨论，如产生弧光损坏表面光洁度，尾气排放等问题。本文通过对炉内气流场的 研究，设计制造空心阴极辅助离子渗氮设备，并利用该设备对4 0 c r 、4 2 c r m o 、4 5 钢进行离子渗氮。 本试验先将样品置为中性并进行空心阴极辅助离子渗氮，再对样品进行周期 性空心阴极辅助离子渗氮与时效试验。为了提高材料的表面硬度，对样品加偏压 后进行空心阴极辅助离子渗氮。试验后测试样品的表面硬度与硬度梯度，分析样 品表面相组成与渗层金相显微组织。通过比较不同条件下样品的试验结果，得出 以下结论： 空心阴极辅助离子渗氮技术可以有效地对样品进行渗氮；避免弧光的产生而 破坏表面光洁度；渗氦可以在压力很小的情况下进行，减小了氨气的使用量与尾 气排放量，节省能源，减小污染。 空心阴极辅助离子渗氮较适宜的处理条件为5 0 0 1 2 时处理6 小时，处理后化合 物层厚度为3 v m ，渗层厚度可达到2 5 0 p r o 。当样品为中性时，表面硬度为基体的3 倍左右：当对样品加偏压时，表面硬度为基体的4 倍左右。对样品加偏压的空心 阴极辅助离子渗氮可以明显提高材料的表面硬度，较适宜的偏压大小为i o o v 。 由于没有选取到理想的试验工艺条件，周期性空心阴极辅助离子渗氮与时效 试验没有获得比一次性空心阴极辅助离子渗氮更良好的表面硬度与渗层组织。 关键词；离子渗氮；空心阴极；4 0 0 r 钢：4 2 c r m o 钢；4 5 钢 英文摘要 p l a s m an i t r i d i n ga s s i s t e db yh o l l o wc a t h o d e a b s t r a e t p l a s m an i t r i d i n g ，a san i t r i d i n gt e c h n i q u e ，i sg e t t i n gm o f ea n dm o l ea t t e n t i o n , b c c a u s q 。i th a ss o n i ca d v a n t a g e s s u c h 鹊h i g hn i t r i d i n gs p e e da n dt h e r m a le f f i c i e n c y , g o o dq u a l i t yo fc o m p o u n dl a y e ra n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e p l a s m an i t r i d i n g p r o c e s s i n gc a nn o to n l yb ec o n t r o l l e de a s i l y ，r e a l i z i n gl o c a lh a r d e n i n ga n da v o i d i n g f o r m i n gb r i t t l ep h a s ei nt h en i t r i d e dl a y e r , b u ta l s og e tc o m p a c tc o m p o u n dl a y e rw h i c h h a sb e t t e rw e a l r e s i s t a n c e c o r r o s i o nr e s i s t a n c e i - i o w c v c r , t h e r es t i l le x i s ts o m e p r o b l e m su n s o l v e d , f o re x a m p l e 黜d i s c h a r g ew h i c hw i l ld e s t r o yt h ef i n i s ho fs t t r f a e e , g a sp o l l u t i o na n ds o0 1 1 _ b yr e s e a r c h i n go nf l o wf i e l di nt h ef l l l t l 扯e ，ah o l l o wc a t h o d e a s s i s t e dp l a s m an i t r i d i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d a n d4 0 c t 、4 2 c r m o 、4 5s t e e lw e 陀 n i t r i d e dw i t ht h i st e c h n i q u e t h es p e c i m e nw a si n s u l a t e d , t h e np r o c e s s e db yp l a s m an i 口i d i n ga s s i s t e db yh o l l o w c a t h o d ed i s c h a r g e w h c r e a t l t e r , t h es p e c i m e nw a sp l a s m an i t r i d e da n da g i n g e d a l t e r n a t e l y i no r d e rt oi m p r o v et h es u r f a c eh a r d n e s so ft h em a t e r i a l ，t h es p e c i m e nw a s p l a s m an i t r i d e db ya p p l i e dn e g a t i v ev o l t a g e t h es u r f a c eh a r d n e s sa n d h a r d n e s sg r a d i e n t w a s l n c a s i l l d , p h a s eo f t h es u r f a c ea n do p t i c a lm i c r o s c o p ei m a g e so f t h en i t r i d i n gl a y e r w e r ea n a l y s e d a f t e rc o m p a r i n gt h er e s e a r e l ar e s u l t so ft h es a m p l e si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw c i i ：g o t t e n t h ep l a s m an i t r i d i n ga s s i s t e db yh o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g en i t r i d e de f f e c t i v e l y s p e c i m e n , w h i c hc a na v o i dg e n e r a t i n ga r ca n dd e s t r o y i n gt h ef i n i s ho fs u r f a c e ；i tc a l lb e c a r r i e do u tu n d e rl o wp r e s s u r e ，t h e r e f o r e ，t h ee x p e n d i n go fa m m o n i aa n dt a i lg a s e m i s s i o nw a sr e d u c e d a sar e s u l t e n e r g ys o u f c c 黼s a v e da n dp o l l u t i o nw a sr e d u c e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o no f p l a s m an i t r i d i n ga s s i s t e db yh o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g ei s 6h o u r st r e a t m e n tu l l d c l - 5 0 0 1 2 a f t e rt r e a t m e n lt h et h i c k n e s so ft h ec o m p o u n dl a y e r a n dt h ed i f f u s i o nl a y e ri s3 p ma n d2 5 0 p r o s u r f a c eh a r d n e s si sa b o u tt h r e et i m e s 船t h e s u b s t r a t ew h e nt h es p e c i m e ni si n s u l a t e d ；a n di sa b o u tf o u rt i m e sa st h es u b s t r a t ew h e n t h en e g a t i v ev o l t a g ei sa p p l i e do nt h es p e c i m e n t h ep l a s m an i t r i d i n ga s s i s t e db yh o l l o w 英文摘要 c a t h o d ed i s c h a r g ew h e nt h ev o l t a g ei sa p p l i e do nt h es p c c i m e nc a l li m p r o v er e m a r k a b l y s u r f a c eh a r d n e s so f m a t e r i a la n dt h eo p t i m u mv a l u eo f v o l t a g ei s1 0 0 v b e c a u s et h eo p t i m u mc o n d i t o nw a sn o tf o u n di nt h et e s t ，t h ea l t e r n a t ep l a s m a n i t r i d i n ga s s i s t e db yh o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g ea n dt h ea g e dt e s th a sn o to b t a i n e dh i g h e r s u r f a c eh a r d n e s sa n dd e e p e rd i f f u s i o nl a y e rc o m p a r e dw i t ht h eo n e - o f fp l a s m an i t r i d i n g a s s i s t e db yh o l l o wc a t h o d e k e yw o r d s ：p l a s m an i t r i d i n g ：h o l l o wc a t h o d e ：4 0 c r s t e e l ：4 2 c r m os t e e l ；4 5 s t e e l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 !窒尘园拯箍助彦王洼氢班荭：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 一， 一7 论文作者签名：陷、他幻z 商序弋月2 午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：导师签名： 日期：劲矽年弓群日 办 空心阴极辅肋离子渗氮研究 第1 章绪论 1 1 离子渗氦的概念 辉光离子渗氮又称离子渗氮( p l a s m an i t r i z i n g ) ，是一种在压力低于1 0 5 p a 的 渗氮气氛中，利用工件( 阴极) 和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的 工艺。离子渗氮是将工件置于辉光放电装置的真空容器中，以工件为阴极，容器 壁或另设金属板作为阳极，充入稀薄的含氮气体，在直流高压电场的作用下，使 气体原子电离成离子，离子以比较高的速度撞击工件阴极表面上氮离子失去能量 被工件吸收，并向内部扩散形成渗氮层的过程。利用稀薄气体辉光放电产生的离 子及高能中性粒子轰击金属表面导致工件加热到所需温度，使表面渗入某一种或 几种元素，并向内部扩散，随着时间的变化，其表层的化学成分和组织改变，从 而获得特殊的表面性能以延长工作寿命的一类新兴技术。离子氮化不仅能实现可 控氮化、局部硬化，使用纯氢、氮气为气源无环境污染等优点，且离子渗氮不生 成脆性相，渗层致密，与气体渗氮相比有更高的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能， 离子渗氮要比气体渗氮渗速快、热效率高、设备维修费用低，所以离子渗氮应用 比较广泛【”人们已普遍认为这是一种成熟的工艺技术，已用于结构钢、不锈钢、 耐热钢的渗氮，并由黑色金属发展到有色金属渗氮，特别在钛合金渗氮中取得良 好效果。离子渗氮设备不但引入了计算机控制技术，实现了工艺参数优化和自动 控制，还研制发展了脉冲电源离子渗氮炉、双层辉光离子渗氮炉等，达到了节能、 节材、高效的目的。 等离子体是一种物质的能量较高的聚集状态，被称为物质第四态，是一种电 离度超过o 1 的气体，是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体。等离子体整 体呈中性，但含有相当数量的电子和离子，表现出相应的电磁学等性能，如等离 子体中有带电粒子的热运动和扩敖，也有电场作用下的迁移。利用粒子热运动、 电子碰撞、电磁波能量法及高能粒子等方法可获得等离子体，但低温产生等离子 体主要方法是利用气体放电。粒子轰击阴极表面时将发生系列物理、化学现象， 包括中性原子或分子从阴极表面分离出来的阴极溅射现象( 也可看作蒸发过程) ， 第1 章绪论 阴极溅射出来的粒子与靠近阴极表面等离子体中活性原子结合的产物吸附在阴极 表面的凝附现象、阴极二次电子的发射现象以及局部区域原予扩散和离子注入等 现象 2 卅。 离子化氮气在等离子辉光放电中渗氮( 离子渗氮) 应用最广泛。气体放电( 包 括辉光放电) 时，形成氮的正离子。在这种情况下，渗氮的零件应具有负电势， 即零件为负极。在放电的含氮气氛中渗氮时，分为阴极( 零件) 和阳极之间激发 辉光放电，气体离子轰击阴极表面，阴极净化，辉光放电，渗氮和冷却等几个阶 段。阴极溅射时，表面活化，氧化物薄膜被破坏。在i1 0 0 1 4 0 0 v 电压和1 3 3 2 6 6 p a 压力下，5 6 m i n 就发生阴极溅射渗氮过程是在4 8 0 5 8 0 c ，4 0 0 11 0 0 v 和1 3 3 1 3 3 0 p a 下进行渗氮的介质是氨气，氮和氢的混合气体。在气氛中加入 含氮的气体，以碳来调整渗氮物区的成分。饱和阶段同扩散保持阶段交替进行的 循环渗氮收到了良好的效果。扩散保持阶段关闭高压放电嘲。 1 2 离子渗氮的理论 离子渗氮是在低温等离子体中进行的，各种商能离子、高能电子以及高能中 性原子等粒子的存在决定了离子渗氮的复杂性。目前公认的理论观点大致有如下 四种；溅射和沉积理论、氮氢分子离子化理论、中性原子轰击理论、碰撞离析理 论。 ( 1 ) 溅射和沉积理论 这一理论是由j k o l b e l 【6 1 于1 9 6 5 年提出的。他认为，离子渗氮时，渗氮层是通 过反应阴极溅射形成的在真空炉内，稀薄气体在阴极、阳极间的直流高压下形 成等离子体，套r 、l 壬+ 、h n 3 + 等正离子轰击阴极工件表面，轰击的能量可加热阴极， 使工件产生二次电子发射，同时产生阴极溅射，从工件上打出c 、n 、o 、f e 等。 n 能与阴极附近的活性氮原子形成f e n ，由于背散射又沉积到阴极表面，f e n 分 解，f e n - - f e 2 n f e 烈一f e 4 n ，分解出氮原予大部分渗入工件表面，一部分返回等 离子区。 ( 2 ) 氮氢分子离子化理论 空心阴极辅助离子渗氮研究 m h u d i s t t l 提出了分子离子化理论，对4 0 c r n i m o 钢进行离子渗氮研究得出， 溅射虽然明显，但不是离子渗氮的主要控制因素。他认为对离子渗氮起决定作用 的是氮氢分子离子化的结果，并认为氮离子也可以渗氮，只不过渗层不那么硬， 深度比较浅。 ( 3 ) 中性原子轰击理论 1 9 7 4 年，g a r y g t i b b e t t s t s j 在n 2 h 2 混合气中对纯铁2 0 钢进行渗氮，他在离样 品1 5 m m 处加一网状栅极，之间加2 0 0 v 反偏压进行试验，得出对离子渗氮起作 用的实质上是中性原子，h n 3 分子离子化的作用是次要的。但他未指出活性的中 性氮原子是如何产生的。 ( 4 ) 碰撞离析理论 2 0 世纪8 0 年代我国学者提出了碰撞离析理论。人们认为：活性氮原子在离子 渗氮过程中起决定作用。无论在h n 3 、n 2 - h 2 或纯n 2 中，只要满足离子能量条件， 就可以通过碰撞裂解产生大量活性氮原子进行渗氮嗍。 1 3 离子渗氮的发展历程 自1 9 3 0 年德国b b e r g h a u s 和美国j e g a n 先后提出在气体放电中进行钢铁渗氮 的方案取得专利至今，已有7 0 多年的历史由于那时未能解决大电流辉光放电条 件下稳定工作的问题，致使这一方法在发表后的3 0 年问迟迟没有在工业生产上应 用。2 0 世纪6 0 年代初，随着电子技术的发展和对离子渗氮技术研究的深化，以及 灭弧技术和阴极输电结构等难题的突破，离子渗氮工艺日趋成熟，从而也为其工 业应用铺平了道路。1 9 6 3 年美国通用电器公司开始在重型动力机械零件上采用离 子渗氮工艺。1 9 6 7 年原联邦德国克罗克诺尔离子工程有限公司也开始进行离子渗 氮的专业生产，除承揽德国及欧洲大陆离子渗氮零件的业务外，还进行了大量的 工艺与设备研究。1 9 7 3 年开始生产离子渗氮炉设备，并对外销售，促进了离子渗 氮技术的普及。7 0 年代开始，中国、日本、法国、前苏联等国也开展了研究和应 用。8 0 年代以后，离子渗氮在渗氮方法中的比例逐年增加，欧洲各国采用离子渗 氮的零件数量与各种渗氮方法的比例达2 5 以上( 其他气体渗氮2 5 ，气体氮碳 第1 章绪论 共渗3 0 ，盐浴渗氮1 0 2 0 ) 。法国差不多每天有3 万个零件在进行离子渗氮 处理。美国( m e t a lp r o g r e s s ) ( 金属进展) 杂志曾对热处理设备制造厂和工艺用户中 的2 9 名专家进行调查，预测各种营业性热处理工艺的发展趋势( 见表1 1 ) 9 0 年代，随着电子器件的飞速发展，以及大功率元件、微机智能控制系统在设备上 应用，批量、大型和精密零件的离子渗氮都进入了稳定的工业生产。 表l1 预测各种营业性熟处理工艺的发展趋势 t a b 1 i t h e f o r e c a s t o f e v o l u t i o n o f h e a t t r e a t m e n t i n b u s i n e s s 我国于1 9 6 7 年开始试用离子渗氮，1 9 7 1 年后，一些科研单位、大专院校和工 厂先后投入人力物力，开展离子渗氮方面的研究和应用。1 9 7 7 年4 月当时的第一 空心阴极辅助离子渗氮研究 机械工业部组织召开了全国离子渗交流会，促进了离子渗氮技术在中国的迅速发 展。我国从改革开放以来，通过企业的重组和根据市场的要求，逐渐形成了为数 不多的几家离子渗氮设备生产厂，不少城市调整布局，停用了一些设备，开设一 些专业离子渗氮处理工厂，承接此类工艺处理业务同时也有引进国外先进技术 和资金，成立了等离子技术的合资公司，生产微机控制全自动离子渗氮设备，并 对各种零件进行离子渗氮处理，促进了我国离子渗氮技术的发展【1 0 j 。在七十年代， 我国就自行设计、制造了等离子热处理设冬，积累了丰富的经验。等离子氮化是 不锈钢、钛及其合金表面强化方法的最佳选择。普通碳钢、氮化钢、合金钢、铸 铁、铸钢等均可进行等离子氮化。用于离子渗氮的工件有机床零件、齿轮、轴、 凸轮、各种不同类型工模具，如引伸模、压铸模、滚刀、波汶铣刀以及不锈钢制 件、钛和钛合金制件等等。 近l o 年来，离子渗氮技术向着更加完善和更加广阔的领域发展，离子渗氮与 其它熟处理工艺相结合，进行工件表面改性，提商工件的硬化质量如离子氮化 与p v d 离子镀覆t i n 工艺复合，可得到结合力良好的复合镀层。这样不仅使工件 表面硬度极高，而且硬度梯度平缓，有一定厚度的硬度较高的扩散层支撑，有利 抗磨性能提高，复合镀层有良好的回火稳定性、耐蚀性都将被提高，不仅可应用 于冷作模具，还能用于热作模具等。 1 4 离子渗氦设备的发展 现代工业生产中，为满足零件的大批量处理、零件的体积和重量大，渗氮表 面质量要求高的需求，离子渗氮设备采用了新型电子元件以及微机控制技术。近 年来，工业上应用的大型离子渗氮设备的最大直流电流达5 0 0 a ，甚至1 0 0 0 a 。离 子渗氮设备采用晶闸管元件制成可调整流电源，随着晶闸管、c t o 电力电子器件 的应用。加大了功率，方便了控制，面i g b t 器件的应用，使电源和控制得到了进 一步提高。 脉冲电源的发展，解决了带有小孔、窄缝的零件的离予渗氮的困难。由于电 子器件的改进，系统的可靠性大大提高，目前脉冲频率可高达几万赫兹，最大电 第1 掌绪论 流可达4 0 0 a 。数字控制技术的应用改变了原来比较烦琐的调试，增加了电源的稳 定性和可靠性。 离子渗氮炉炉体也有新的发展，除已经广泛使用的水冷炉壁外，还出现了多 种保温、加热、交换气体冷却和可控空气强迫冷却等各种形式的炉体，迸步提 高了离子渗氮均匀性和表面质量。t 形炉体的出现，方便了零件的吊挂和长件内孔 的处理 1 5 离子渗氮的主要特点 ( 1 ) 离子渗氮速度快，尤其浅层渗氮更为突出。渗氮层深度为0 3 m m 0 5 m m 时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮的i 3 i 5 。这是由于：表面活亿是加速 渗氮的主要原因粒子轰击将金属原子从样品表面分离出来，使其成为活性原子， 并且，由于高温活化。c 、n 、o 这类非金属元素也会从金属表面分离出来，使金 属表面氧化物和碳化物还原，并且也对表面产生了清洗作用；提高表面氮浓度， 加快氮向样品内部扩散样品表面对轰击出来的f c 和n 结合形成的f e n 吸附， 提高样品表面氮浓度，f e 还有对n h 3 分解出氮的催化作用，也提高氮浓度：阴 极溅射产生表面脱碳，增加位错密度等，加速了氮向内部扩散的速度。 ( 2 ) 热效率高，节约能源、气源 ( 3 ) 渗氮的氮、碳、氢等气氛可以调整控制，可以获得5 1 m l 3 0 1 x m 深的脆性 较小的相单相层或约为8 岬l 厚的韧性较好的丫7 相单相层，也可获得韧性更好的 无化合物的渗氮层。 ( 4 ) 离子渗氦可使用氨气，压力很低，用量极少，无污染。 ( 5 ) 离子渗氮温度可在低于4 0 0 c 以下进行，工件畸变小。但准确测定工件温 度比较麻烦，不同零件同炉渗氮时，各部位温度难以均匀一致。 ( 6 ) 可用于对不锈钢、粉末冶金件、钛合金等有色金属离子渗氮。由于存在 离子溅射和氢离子还原作用，工件表面钝化膜在离子渗氮过程中可以清除。也可 以局部渗氮。 空心阴极辅肋离子渗氮研究 ( 7 ) 由于设备较复杂，投资大，调整维修较困难，对操作人员的技术要求较 高。 1 6 研究的现状 ( 1 ) 外加热式大炉量离子渗氮 8 0 年代末，开始利用外加热方式进行离子渗氮，使这一工艺提高了一大步。 在这种条件下还可以用计算机进行工艺控制。德国的c u n t h n 】等人用外加热式离 子氮化( 炉体直径为7 0 0 m m ，高为2 0 0 0 r n m ) 一次可以对1 0 0 0 个工件进行处理。 h o m b e e k 1 2 1 等人用直径为1 8 0 0 m m ，高为1 8 0 0 m m 的外加热式离子氮化炉对不同形 状的工件同时进行氮化，一次装炉量可达6 0 0 0 k g 。在一定温度下渗氮时，渗氮厚 度与时间大体成线形关系，温度越高，h z n 2 越小( 氮势越高) 曲线的斜率越大， 即渗氮速度越快；渗氮层的表面硬度与普通离子氮化的结果几乎相同；随着渗氮 温度的增高，表面硬度略有增加，渗氮时间越长表现越明显。高氮势比低氮势渗 氮层的表面硬度高；随着时间的延长，其冲击韧性明显降低；在渗氮层中未发现 有新相出现【1 3 1 。 ( 2 ) 稀土催渗离子渗氮 用稀土催渗离子渗氮已获得成功【1 4 1 。稀土元素在离子渗氮领域的应用，对中 碳合金钢催渗有明显的效果。在微量稀土元素作为催渗剂情况下，不锈钢活塞环 能在5 0 0 5 2 0 c 的温度下进行等离子渗氮。催渗离子渗氮化合物层和普通离子渗 氮化合物层均有晰7 相组成，但前者r7 相的相对含量多，且有稀士化合物c e f e 2 。 同时稀土的加入，使t7 相中的位错环、层错和挛晶等晶体缺陷的数量增加，为氮 原子向里扩散提供了有利条件，可以获得所需要的渗氮层深度，对提高渗氮层深 有明显的催渗作用【1 5 - m 。微量稀土元素渗入表面，可起到微合金化作用，与普通 离子渗氮相比，表面硬度高，有效硬化层深，硬度梯度平缓。由于在一定的工艺 条件下，稀土催渗明显，为了满足渗氮技术要求，减少零件的变形量，可适当降 低常规的渗氮温度埘。 ( 3 ) 快速深层渗氮 第1 章绪论 利用渗氮温度和氮势对渗氮层的形成与分解的影响，优化渗氮工艺参数，以 更充分地发挥离子氮化在渗氮初期渗氮层深随时间线性快速增加地优势，进一步 加快氮原子的内扩散速度，从根本上提高离子渗氮速度和强化渗氮层性能，已取 得不少有价值的研究成果1 1 9 - 2 2 。 快速深层渗氮工艺的设计，它由周期性的渗氮和时效组成1 2 那。通过时效，在 相和扩散层中形成多种通道，从而强化内扩散过程，还可以降低渗氮件表面氮的 活度，强化表面对氮的吸收，增强相界面反应，从而达到快速渗氮的目的和其 他化学热处理一样，渗氮过程由介质中的化学反应、外扩散、相界面反应和内扩 散组成。渗氮过程中的各环节是相互联系和互相制约的，渗氮速度取决于上述环 节中最慢的一个环节。介质中的化学反应往往不是提高渗氮速度的限制环节，而 常常受内扩散或( 和) 相界面反应所限制。为了加速渗氮过程，目前采取的方法 可概括为物理方法和化学方法两类，这些方法中，有的是强化介质中的化学反应， 有的是强化界面反应，有的两者兼而有之，但对内扩散的强化作用甚微。离子渗 氮时离子轰击作用使工件浅表层产生了缺陷，这些缺陷的存在，有利于氮原子的 内扩散 2 4 - 2 s 。不过由离子轰击产生的缺陷分布在浅层，对整个内扩散的强化作用 是有限的咖l 。而加速内扩散的关键是加速氮原子在e 和丫相中的扩散速度，其 措施之一是形成各种有利于氮原子扩散的通道。通过渗氮后时效，能在化合物层 中形成有利于氮扩散的调幅通道和缺陷通道。为了达到快速渗氮的目的，快速渗 氮工艺应由渗氮和随后的时效组成，随后的时效目的之一在于形成通道。通道形 成之后应该再次渗氮，让氮原子通过通道进入工件，但是随着渗氮时间的延长， 所产生的通道又被堵塞。所以采用周期性的渗氮与时效，渗氮后时效的第二个耳 的是降低渗氮工件表面氮的活度，破坏介质中氮势和工件表面氮活度的平衡关系， 从而强化相界面反应。时效使表面氮浓度下降，此时相当于提高了介质中的氮势， 增强了氮原子往工件内扩散的驱动力，氮原子又将源源不断地进入工件。所以， 渗氮后时效一方面可以降低工件表面氮的活度，强化相界面反应，另一方面可以 在渗氮层中形成有利于氮原子扩散的各种通道，加速内扩散过程。 空心阴极辅助离子渗氮研究 如图l 所示：普通的渗氮在渗氮初期，即a 点以前，工件表面还没有形成化 合物层，即使形成，其厚度也很薄，渗氮层深随时间的延长近似成线性增加，曲 线的斜率比较大，层深增加比较快，但是，一旦化合物层和扩散层达到一定厚度 时，如到达b 点，即使渗氮时问延长很多，渗氮层深也增加很少；但是经过周期 性的渗氮和时效，渗氮时在的层深与时间抛物线上，渗氮工作点从座标原点移动 到a 点，再移动到b 点，而时效后则从b 点再移动回a 点1 2 3 1 图1 1 渗氮层深与渗氮时间的关系 f i g 1 1t h er e l a i o no f t i m ea n dd c p l 吐lo f p l a s m an i 仃i d i n g “) 间歇供n 2 闭炉纯氮离子渗氮 国内外离子渗氮工艺所采用的渗氮介质大多为纯n h 3 或n 2 + h 2 混合气体，这 可能是基于m h u d i s 曾经提出的比较经典的离子渗氮模型。m h u d i s 认为，在离子 渗氮中，n h j + ( j = l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 分子离子即使在溅射很弱的情况下仍然可以产 生良好的渗氮强化效果，对渗氦起决定作用的是氮氢分子离子化的结果。虽然 g a r r y g t i b b c t t s 后来通过试验证实，对离子渗氮起主要作用的是中性氮原子，但 t i b b e t t s 采用的渗氮介质是n 2 + 碣混合气体，仍肯定了n h j + 在离子渗氮中的次要作 用在进行离子渗氮介质的选择时受到极大的限制，目前普遍采用氮氢气氛。针 第1 章绪论 对纯n 2 离子渗氮的能量条件进行理论分析和实验验证：离子渗氮是借助渗氮介 质在电场能作用下碰撞离解出活性氮原子，并通过活性氮原子的吸附和扩散来实 现的；活性氮原子的产生需要一定的能量，对于常规氨气离子渗氮，在一定渗 氮温度下具有的热能完全能够满足氨分子n h 3 的临界离解能。对于纯氮离子渗氮。 氮分子n 2 临界离解能极高，热能贡献很小，氮分子n 2 碰撞离解出活性氮原子的 能量主要取决于n 2 + 的电场能大小；纯氮离子渗氮存在电压门槛值，低于这个最 低值，渗氮效果差或者根本无法进行，但过高会导致气压极低，渗氮介质也不可 能提供足够的活性氮原子，同样不利于离子渗氮；纯氮离子渗氮必须采用间歇 供气闭炉方式进行渗氮，否则，即使满足氮分子n 2 碰撞离解的能量条件，其渗氮 效果仍然很差。试验证明，间歇供n 2 闭炉离子渗氮可以获得良好的渗氮效果网。 i ) 工作台、2 ) 金属屏、3 ) 喷射管、4 ) 工作台的中心，5 ) 泵、6 ) 风扇，7 ) 辅助电源 图1 2t c 活性屏离子渗氮设备示意图 f i g 1 2t h ee q u i p m e n ts k e t c hm a po f t h r o u g hc a g ep l a s m an i 砸d i n g ( 5 ) 活性屏离子渗氮 空心阴极辅助离子渗氮研究 2 0 世纪9 0 年代末，卢森堡工程师g e o r g e s 发明了“活性屏离子渗氮”技术 ( t h r o u g hc a g ep l a s m an i t r i d i a g ，简称t c 离子渗氮；或称为a c t i v es c r e e np l a s m a n i t f i d i n g ，简称a s 离子渗氮) 3 0 1 ，并在活塞环等一些机械零部件获得成功应用d ， 由g e o r g e s 创建的p l a s m am e t a ls a 公司也开始生产销售活性屏离子渗氮处理设 备。与普通直流离子渗氮技术不同的是，活性屏离子渗氮技术是将高压直流电源 的负极接在真空室内一个铁制的网状圆筒上，被处理的工件置于网罩的中间，工 件呈电悬浮状态或与1 0 0 v 左右的直流负偏压相接。当直流高压电源被接通后，低 压反应室内的气体被电离。在直流电场的作用下，这些被激活的离子轰击圆筒的 表面，离子撞击的动能在圆筒的表面转变成热能，因而圆筒被加热。同时，在离 子轰击下不断有铁或铁的氮化物微粒被溅射下来。图2 为t c 活性屏离子渗氮设备 示意图。活性屏离子渗氮处理可以得到和直流离子渗氮处理同样的渗氮效果；从 活性屏上溅射下来的粒子是中性f e 4 n 粒子，尺寸为数十纳米数量级；活性屏离子 渗氮过程是从活性屏上溅射下来的粒子物理吸附了大量的氮原子，并沉积在钢的 表面。在一定温度下，这些粒子解析出活性氮原子，向钢基体内部扩散形成t7 相， 部分粒子也可以和氮结合生成8 相1 3 2 1 ( 6 ) 低温、低压等离子体弧源离子渗氮 利用低压等离子体弧源离子渗氮技术，在约4 0 0 、4 x 1 0 1 p a 真空度条件下对奥 氏体不锈钢、纯铁进行了低温渗氮表面强化处理。奥氏体不锈钢表面形成的渗氮 层由氮在奥氏体中的过饱和单相固溶体组成，具有很高的硬度和良好的耐蚀性。 纯铁渗氮层则由化合物层和扩散层组成。低压等离子体弧源离子渗氮技术具有低 温、快速渗氮的特点，既有较高的硬度同时具有良好的耐蚀性能，并且完全避免 了工件表面产生弧光放电【3 3 j 1 7 研究的发展趋势 离子渗氮的发展历史与现状证明，等离子技术的应用有着广阔的前景离子 渗氮是目前工业上应用最广、最成熟的离子热处理工艺。离子渗氮工艺通过调整 工艺参数( 电压、电流、炉内气体压强、温度、时间和工作气体成分等) ，可以 第1 章绪论 获得纯扩散层、单相( r7 或e 相) 化合物层等 3 4 - 3 5 ，可以进行低温( 4 0 0 5 0 0 c ) 离子渗氮【3 6 】，以及对奥氏体不锈钢无需处理便可以进行离子渗氮。目前，离子渗 氮技术的关键是如何根据其特点，结合工件服役条件，合理选取工艺参数，获得 所需的最佳渗层，以充分提高离子渗氮效能与成本之比【，7 l 。在未来一段时间内， 离子渗氮研究的重点将转向复合处理、扩大应用范围、设备的改进等方面。 ( 1 ) 复合处理 离子渗氮+ 气相沉积( p v d 、p c v d ) ，离子渗氮+ 表面淬火( 感应淬火、激光 表面淬火等) f 3 研，低温镀铁+ 离子轰击强化，以及各种多元共渗和复合渗等。由于 表层硬化质量的提高，其耐磨性、耐蚀性都将被提高。此类复合处理在今后将会 被当作新的表面处理技术，在工模具中受到越来越广泛的应用鲫。 ( 2 ) 扩大应用范围 离子渗氮技术对于零件表面的耐磨性提高，学术界的观点和实践应用中的结 果都是一致的。但对于零件的承载能力，一直存在不同的观点。随着研究的深入 开展和实践证明，深层、改进渗层梯度或离子氮碳共渗低合金钢的承载能力同样 也会得到改善。目前，对于一些承载比较大的齿轮、重型零件、铸铁材料、烧结 金属的零件采用离子渗氮或离子氮碳共渗，也都得到了良好的效果。由于离子渗 氮表面抗回火性能的提高，因此离子渗氮应用在热锻模具、压铸模具上可取得特 别好的效果。此外，采用离子渗氮使不锈钢表面硬化的研究和应用也取得了很好 的进展。 ( 3 ) 设备的改进 ( a ) 提高装炉量 由于离子渗氮工艺自开始应用到以后的一段时间里，严格遵循着同种零件、 对称等距装炉的规律，因此装炉量受到限制，生产效率较低。随着后来工艺处理 经验的积累，装炉零件间距离的缩短，炉内温差规律的灵活应用，使得装炉量得 到大大提高。 ( b ) 脉冲电源扩大应用 空心阴极辅助离子渗氦研究 采用脉冲电源进行离子渗氮具有灭弧容易、空心阴极效应小、无功损耗低、 便于工艺参数独立控制等特点，特别是对一些形状特殊的零件，或是需经特别工 艺处理，脉冲电源的优势更为明显。 ( c ) 计算机技术在离子渗氮中广泛应用 目前，个别离子渗氮炉配置了计算机，但基本上只起到顺序控制的作用。计 算机在离子渗氮领域的应用，不仅应傲到电压、电流、能量密度、处理温度、气 体流量、炉气成分和压力等工艺参数的全面控制，而且还应做到根据材质、零件 形状和服役条件等因素，进行计算机工艺参数及装炉方式设计、形变量及性能预 测。 ( d ) 热壁型炉体和双重加热的应用 采用热壁型炉体、增加辐射加热系统有利于提高加热温度、改善炉温均匀性， 减少溅射和升温时间，特别是将提供等离子体为主的离子电源与提供热源的加热 系统分开控制，有利于减少弧光放电的出现，更广泛地调节和控制工艺参数。 ( e ) 带对流装置的炉体应用 离子渗氮炉中加入气体对流系统，可大大缩短工件冷却时间，提高生产效率， 适用于一些特殊工艺的需要。另外，对炉体结构进行专门设计，达到高压气淬的 能力，这可以极大的推动离子渗氮技术的推广。 1 8 本文研究的内容和意义 1 8 1 研究的内容 ( 1 ) 根据文献报道及实际应用中存在的问题，如加热温度、保温时间、表面 打弧等，研究如何解决这些问题。 ( 2 ) 对4 0 c t 、4 2 c r m o 、4 5 钢进行空心阴极辅助离子渗氮，研究几种钢在空心 阴极辅助离子渗氮下的表层硬度及渗氮厚度。 ( 3 ) 对4 0 c r 、4 2 c r m o 、4 5 钢处于不同电位进行空心阴极辅助离子渗氮实验， 研究几种钢在不同电位进行空心阴极辅助离子渗氮下的表层硬度及渗氮厚度。 第1 章绪论 f 8 2 研究的意义 离子渗氮技术已走过近4 0 多年的历程，得到了广泛的应用，成为热处理工艺 中不可或缺的一个组成部分。但毕竟该项技术应用的历史还不长，不少内容还需 要完善，还有许多东西也将随着相关技术的进步而发展。离子渗氮渗层质量高、 综合力学性能好，但毕竟强化层厚度有限、梯度陡性能单一，很难满足日益提 高的各种零部件的服役条件要求。近些年，离子渗氮的基础研究工作有减弱的趋 势，这将会影响它的进一步发展，因此必须加强这方面的工作，也只有这样，才 能推动离子渗氮处理技术的不断前进。离子渗氮在渗层质量、效率、节能和环保 等方面的优势，已被大家所接受，目前正处在一个成熟，平稳的发展时期。随着 设备功能、控制手段、工艺技术的进一步完善和丰富，离子渗氮技术还将会得到 更大的发展。研究4 0 c l t 、4 2 c r m o 、4 5 钢空心阴极辅助离子渗氮，分析空心阴极辅 助离子渗氮后4 0 c r 、4 2 c t m o 、4 5 钢的表层硬度及渗氮厚度。上述研究分析将为空 心阴极辅助离子渗氮技术在提高材料表面性能提供可靠的技术支持。它对节省能 源、提高材料表面性能、离子渗氮在未来的发展与应用具有实际意义。 空心阴极辅助离子渗氮研究 第2 章试验设备与试验材料 2 1 概述 本章介绍了试验设备研制与试验材料的选择。通过对离子渗氮设备与气流场 的e 研究，设计研制出空心阴极辅助离子渗氮设备。选择4 0 c t 、4 2 c r m o 、4 5 钢做渗 氮磺验材料。 2 2 试验设备 空心阴极辅助离子渗氮设备是对活性屏离子渗氮设备的改进与发展。 近年来，在离子渗氮领域应用较广的技术是活性屏离子渗氮技术。活性屏离 子渗氮技术与普通直流离子渗氮技术不同的是，活性屏离子渗氮技术是将高压直 流e 电源的负极接在真空室内一个铁制的网状圆筒上，被处理的工件置于网罩的中 间，工件呈电悬浮状态或与i o o v 左右的直流负偏压相接。当直流高压电源被接通 后，低压反应室内的气体被电离在直流电场的作用下，这些被激活的离子轰击 圆筒的表面，离子撞击的动能在圆筒的表面转变成熟能，因而圆筒被加热同时， 在再帮子轰击下不断有铁或铁的渗氮物微粒被溅射下来。在一定的温度下，这些粒 子解析出活性氮原子，向钢基体内部扩散形成t 相，部分粒子也可以和氮结合生 成薯相。 由于活性屏离子渗氮设备在炉内是由网状圆筒组成，虽然离子撞击的动能在 圆f 荀的表面转变成熟能，但是由于圆筒是网状的，不能保证气流温度沿着固定的 走厂甸靠近试验样品，这样不仅浪费了大量的能源，又不能达到较好的渗氮效果。 通过对气流场的研究 。m - 4 3 1 ，弥补了这一不足。空心阴极辅助离子渗氮设备，大大 的2 节省了能源，并能获得较好的渗氮效果。 图z i 为典型离子化学热处理的气流分布图。在小的或者中型的等离子氮化区 处j 理室内，氮、氢、氧的空间分布室相当均匀的。在处理气氛中被检测到的氧百 分匕匕是0 5 1 5 ，较高的压力( 6 t o r r ) 对应着较低的百分比，较低的压力( 2 t o 】- r ) 对应着较高的百分比氧的主要来源是室壁，包括热屏障，处理过程中氧俯 第2 章试验设备与试验材料 压逐渐降低。在辉光放电条件下，氧的百分含量很大时，氢偏压会急剧下降，因 为存在生成水的合成反应 4 7 - s 0 1 。抽气速度影响处理气体的组份，对于一恒定流速 的裂解氮，氢离子和氮离子的偏压比值会随着室内平衡压力的不同而不同，比率 会随着抽气速度的增加而增大( 室内总气压降低) 。在同样的流速下，当总压力 变化时，气体组份会发生很大变化。当一个工件首次被加热时，工件表面就会大 量脱水在辉光放电过程中，由于阴极电压下降时分子的离解，靠近工件表面的 氢和氮局部偏压分别维1 2 和8 ，比室壁上氢和氮的局部偏压低【5 m 3 1 。 图2 1 典型等离子化学热处理盼气流分布 f i g , 2 1t y p i c a l g a sd i s t r i b u t o r f o r p l a s m a t h e r m o c h e m i c a l i r e a t m e l l 船 图2 2 为