离子渗氮技术研究进展.doc

离子渗氮技术研究进展 摘 要: 为了克服传统离子渗氮的一些固有缺点, 近些年来出现一些新的离子渗氮技术, 如活性屏离子渗氮、等离子体源离子渗氮、离子注入离子渗氮等,本文简要介绍了这些新技术及其原理、特点,总结了这类技术的共性模型。其中, 活性屏离子渗氮技术和等离子体源离子渗氮技术有着明显的设备和工艺优势,可能成为离子渗氮技术的发展方向。 关键词: 离子渗氮; 活性屏; 等离子体源 ; 离子注入 Ionodialysis nitrogen technology research progress Abstract:In order to overcome traditional ionodialysis nitrogen, some of the intrinsic defects in recent years to appear some new ionodialysis nitrogen technologies, such as active screen ionodialysis nitrogen, plasma source ionodialysis nitrogen, ion implantation ionodialysis nitrogen etc, this paper briefly introduces the new technology and its principle, characteristics, summarizes the general model of this kind of technology. Among them, the active screen ionodialysis nitrogen technology and plasma source ionodialysis nitrogen technology has obvious equipment and craft superiority, may become ionodialysis nitrogen technology development directionKey words:Ionodialysis nitrogen, Active screen, Plasma sources, Ion implantation 引言:离子渗氮是一门综合性的应用技术,涉及到放电物理、真空、化学、电子学、 材料科学等多门学科。离子渗氮技术现已被广泛地应用于机床零件、动力机械零件以及工模具和高速钢刀具等重要零件的表面强化处理。它对提高产品质量,节省原材料,降低劳动强度,提高效率, 减少环境污染有着重要意义。离子渗氮是离子化学热处理中开发最早、 应用最广的一项技术,已成为许多产品零件不可或缺的表面强化工艺。目前,该工艺的进展主要是: 扩大应用范围,如工具、 模具、 钛合金、铝合金、粉末冶金以及不锈钢(奥氏体、马氏体型等 )的离子渗氮工艺的开发应用;为了提高零部件的某些特殊性能,在离子渗氮的基础上开发了离子多元共渗, 如为了改善渗层的抗咬合性, 发展了离子硫氮碳共渗等多元共渗工艺。重点开发离子渗氮与其它工艺的复合处理,如离子渗氮PCVD复合处理、离子渗氮-氧化复合处理、离子渗氮- 激光复合处理等。在离子渗氮的基础上开发新的表面处理技术。1 离子辉光原理及特点 1.1 气体辉光放电 在物理学中有这样一种试验装置,在玻璃管中封入2个极板,抽真空使管内气体压强降低到1133 133 Pa1,然后在两电极上加上电压。当电压增加到某一值时, 管内呈现出美丽的发光现象。这就是气体的辉光放电。气体辉光放电的实质就是气体在特定的场合下发生的一种导电现象2。 1.2 气体辉光放电时阴阳极间形成几个发光区 气体分子或原子(甚至离子)在受到外来高能粒子的撞击时,可能出现2 种现象:(1)电离 即气体分子或原子(甚至离子)系统内失去一个电子, 系统带正电荷,称为气体的电离。(2)受激 即高能粒子使原子核内层轨道上运动的电子跃迁到能量较高的外层轨道上运动,处在不稳定状态,因此,外层轨道上运动的电子会自动返回到原来轨道上去,即处于稳定状态。在这过程中,多余的能量便以光波的形式辐射出来, 这就是见到的辉光。由于每种气体原子的能级不同,辐射出来的光波波长不同, 因此, 辉光的颜色也不同。如: 氢是淡蓝色,氮是紫红色,离子氮化用的氨是紫蓝色3。2 离子轰击化学热处理及离子渗氮原理 离子轰击炉是把气体辉光放电的试验装置变为工业生产所需的设备, 离子渗氮就是其中的一例。它是利用辉光放电形成等离子体在金属表面进行渗氮处理。 离子轰击处理过程大致分为以下几部分:(1)利用辅助加热源的热辐射加热工件,使工件上的油脂及其他挥发性物质汽化后被真空泵排出炉外,这一步只针对带辅助加热双热源离子氮化炉。(2)离子清洁。借助离子轰击,将工件表面上的油脂及脏污物质轰击出工件表面,使工件表面清洁。(3)活化表面。利用渗剂中分解的氢或净氢,在直流电场中电离成正离子,并轰击工件表面夺取工件表面氧化膜中的氧, 从而达到活化金属表面。(4)离子或分子离子在活化的金属表面凝聚,发生电化学反应,即吸收电子变成活性原子或分子离子吸收电子降价析出活性原子渗入金属基体。由于离子或分子离子轰击能量较大, 使渗入活性原子进入4 5层原子厚度内。 (5)离子轰击能量非常大,有人对离子轰击阴极能量做过实验, 电压在800 V时离子能量相当于520e 气体氮化时铁表面氮原子能量的3000倍。这样大能量的离子冲击工件表面, 不仅引起阴极溅射, 而且使表面形成深度约0. 05 mm的位错层。这一薄层位错的形成,给氮扩散提供通道,从而加速了扩散4。3 渗氮工艺 3.1 一段渗氮法、二段渗氮法、三段渗氮法一段渗氮法又称等温渗氮5。此渗氮工艺是最初的渗氮工艺, 它就是在同一渗氮温度下、 长时间保温的渗氮方法。渗氮温度一般在 480 530 度之间6。此工艺操作简单, 工件变形小, 缺点是由于工艺时间过长、 渗层浅,易产生脆性层。为了缩短渗氮的时间, 且保持较高的硬度, 于是就发展了二段渗氮方法7。二段渗氮工艺, 第一阶段一般先在 500度左右渗氮一段时间, 这样可使工件表面形成高度弥散的氮化物颗粒, 从而保证硬度, 第二阶段温度升高到550度左右继续渗氮,以加速氮原子扩散, 以缩短渗氮时间, 但变形要比一段渗氮大。三段渗氮是在二段氮化的基础上发展起来的, 它可将氮化的时间进一步缩短。 3. 2 催渗渗氮 为了缩短渗氮的时间, 我们在渗氮介质中添加一种或几种起催渗作用的物质, 即催渗渗氮如加氮渗氮、加钛渗氮等。加氮渗氮是在氨气中加入氮气, 氮气占混合气体的 30% 90%8。这样,不仅可以显著缩短渗氮时间, 而且还改善渗层组织, 降低脆性。加钛渗氮, 是在工件上镀一层钛, 然后再渗氮, 也可提高渗速。近年来发展起一种新的渗氮方法电解气相催渗渗氮。即将一定成分的电解气体供入渗氮炉中,起到催渗作用,一般工艺时间可缩短 1/ 2 2/ 39。 3.2.1预氧化催渗气体渗氮 气体渗氮在工业上应用比较广泛, 但周期太长, 成本高。为此人们不断努力探索新的工艺, 以缩短渗氮周期。经研究表明, 工件经短时氧化后, 表面会形成氧化薄膜, 这对气体渗氮具有较强的催渗作用, 能使N原子的渗入显著加快。有文献表明: 在580度下经预氧化渗氮两次循环处理工艺(预氧10min, 渗氮 3h)可使渗氮层由 580 度*6h 渗氮时的0.29mm 提高到 0.55mm,10而且使氮化层的硬度梯度大大得到改善。 3.2.2等离子渗氮及复合化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,充一稀薄的含氮气体,在直流高压的电场的作用下,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11 离子氮化不仅能实现可控氮化、可局部硬化、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。4 离子氮化设备的组成 离子氮化设备由供电和操作控制的电气系统、真空炉体、气体动态平衡的供气和抽气系统三大部分组成。电气系统大都采用三相半控2组桥串联副边调压的可控硅整流电路, 输出 0 1 000 V连续可调的直流电源12。系统中设置有可靠的灭弧装置、控温装置、安全保护装置,以保证离子渗氮过程的供电、测温及控制。真空炉体由顶盖、 炉体和底板组成。供气和抽气系统是既对立又统一的 2 个单元,供气系统由氨瓶、减压阀、氨分解器 稳压罐、流量计、混合器等组成,保证供应工艺需要的气体。抽气单元由机械真空泵、真空检测仪表、真空电磁阀等器件组成,保证工艺需要的真空度。同时根据工艺的要求,分别控制供气和抽气以保证气流的平衡。电气系统输出的直流电压是近似平稳或有波动的直流电。在工作升温和打散弧清洗阶段, 辉光放电负载的等效阻抗变化急剧, 频繁产生辉光 弧光转变,负载近似短路, 阴阳极间电压从几百伏、13近千伏的高压电压骤然降到几十伏, 电流急剧增大。为了保护直流控制柜里的控制元件不被击穿, 在控制柜外增加一组电阻很大的限流电阻以消耗短路时的超负荷大电流。频繁的短路, 对工作电源破坏很大,经常发生故障。这类氮化炉, 在调整工艺参数时, 十分烦琐,稍有不慎,工件表面就会出现肉眼可看得见的烧弧斑,工作时耗能高,这种工作电源国际上已淘汰。继20 世纪80 年代法、德、俄等国研制成功脉冲电源后,国内正逐步推广使用脉冲电源式离子氮化炉。脉冲电源的核心是特殊的直流斩波器。所谓脉冲电源,是指提供的电压、 电流是具有一定周期的近似方波的脉冲, 工作频率固定,而脉冲宽度可调。根据不同工件,可适当调整脉冲宽度,以达到清洗工件及保护工件表面的作用。脉冲电源能可靠、 迅速地灭弧, 起到保护作用。脉冲电源所用的斩波器经历了由高频逆阻晶闸管和可关断晶闸管GTO到双极型晶体管IGB T 的几个阶段14。目前, 国内使用IG2BT脉冲电源,技术性能比较高, 应用范围比较广泛。5 离子渗氮的特点及应用 离子渗氮与目前工厂使用的气体渗氮相比,具有显著的优点。 (1)渗氮速度快,离子渗氮可以大大缩短渗氮时间,特别是浅层渗氮时更为突出,例如渗氮层深度在0. 3 0. 5 m m 时, 离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/ 3 1/ 5。 (2)渗氮层组织易控制,脆性小。 (3)无公害热处理,气体渗氮、盐浴渗氮均有污染问题, 采用氨气进行离子渗氮。由于压力很低,66. 5 1 330 Pa,使用量极少,也不会产生公害及爆炸问题。 (4)节约能源、气源。离子渗氮时,由于采用辉光放电加热工件,电能利用率高,同时离子渗氮速度快,周期短,节约能源。另外,离子氮化是在66. 5798 Pa 低气压下进行的, 因此, 耗气量极少, 仅为气体渗氮的百分之一。 (5)变形小。由于离子渗氮可以在更低的温度下进行,真空加热、真空冷却可以控制加热和冷却速度,使之均匀,所以,变形量比气体渗氮要小。离子渗氮具有如此多的优点, 已广泛应用在机车制造、交通运输机械、 动力机械、轻工机械和医疗器械等方面的中小负荷、 精度高,渗氮后很少留磨量或不留磨量。而且对那些耐疲劳、耐磨损的零件,取得了良好的效果。 总之,等离子体热处理技术的研制成功,把表面热处理技术提高到一个崭新的阶段, 对提高产品质量,节约原材料、节约能源,降低劳动强度,提高效率,减少环境污染等都有着重要的意义。参考文献:1王志平, 董无岸, 王玉杰. 热处理工M . 北京: 机械工业出版社,1990.2胡光立, 谢希文. 钢的热处理M . 西安:西北工业大学出版社,1993.3胡明娟, 潘健生. 钢铁化学热处理原理M . 修订本. 上海交通大学出版社, 42 514徐厚国, 徐先林. 弹性零件热处理方法M . 43113 湖南省专利服务中心. 93. 01. 065孙晓新. 低真空脉冲软氮化工艺J . 材料工程. 90(1) ; 35 36,486张国安, 张绍维. 热锻模具的强韧化和真空软氮化处理J . 材料工程. 91(6) , 38 417白书欣. 真空渗氮初探J . 金属热处理. 95(11) , 17 198刘玉华.真空低压脉冲氮化的金相分析