離子滲氮工藝原理

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1、離子滲氮工藝原理【2009-1-8】﹝一﹞鋼的滲氮滲氮是把氮滲入鋼件的表面,形成富氮硬化層的化學(xué)熱處理過程。在工業(yè)生產(chǎn)中,常用的工藝方法有:氣體滲氮、鹽浴滲氮和離子滲氮。1.滲氮工藝的特點﹝1﹞滲氮后的零件表面具有高的硬度、耐磨性、疲勞強度和低的缺口敏感性。﹝2﹞滲氮溫度較低,一般在500-600℃,而且,滲氮層的高硬度可以由滲氮直接得到,不需要經(jīng)過較高溫度的加熱和淬火。所以,滲氮工藝的變形是最小的,常常作為零件的最后一道工序。﹝3﹞滲氮層有較高的抗腐蝕性能。2.滲氮工藝的化學(xué)過程滲氮和其他化學(xué)熱處理工藝一樣,也是由

2、分解、吸收、擴散三個基本過程組成的。﹝1﹞分解滲氮介質(zhì)﹝通常為氨氣﹞通過熱分解或其他方法,生成活性氮原子。﹝2﹞吸收鋼表面吸收氮原子,形成氮在鐵中的固溶體和氮化物。﹝3﹞擴散氮從表面高濃度的飽和層向鋼內(nèi)層深處進行擴散,形成一定深度的滲氮層。3.滲氮層的組織根據(jù)Fe-N狀態(tài)圖,滲氮層主要由α、γ、γ,、ε四個相組成。﹝1﹞α相氮在α-Fe中的間隙固溶體。最大溶解度為0.1%。﹝2﹞γ相氮在γ-Fe中的間隙固溶體。﹝3﹞γ,相為一可變成分的間隙相化合物,含氮量在5.7-6.1%之間,成分符合Fe4-N。﹝4﹞ε相是含氮量

3、變化范圍相當寬的化合物,成分在8.25-11.0%之間變化。ε相硬度高,脆性大。4.合金元素的作用碳鋼和合金鋼中由于碳和合金元素的作用,也影響滲氮層的形成。碳的存在會使氮的擴散受阻,減小滲氮層的厚度。鋼中大部分合金元素都能形成氮化物,按氮化物的穩(wěn)定性﹝穩(wěn)定性越高,硬度也越高﹞次序排列依次為:Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。所以,為了在表面得到高的硬度和耐磨性,必須向鋼中加入能與氮形成穩(wěn)定氮化物的合金元素。同時,V、W、Mo、Cr等合金元素還能改善鋼的組織,提高心部的強韌性。合金元素也會使氮的擴散受阻,減小

4、滲氮層的厚度。﹝二﹞離子滲氮工藝原理離子滲氮滲氮層的形成也是由分解、吸收、擴散三個基本過程組成的。但是,由于輝光放電的作用,其機理有所不同。在真空爐體內(nèi),工件接陰極,爐體接陽極,在陰陽極間施加數(shù)百伏的直流電壓,產(chǎn)生輝光放電,使含氮的稀薄氣體﹝如氨氣﹞電離,形成等離子體。N+、H+離子在陰極位降區(qū)被加速,轟擊陰極表面,使陰極表面活化,并發(fā)生一系列反應(yīng)。首先,離子轟擊動能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱工件。其次,離子轟擊打出電子,產(chǎn)生二次電子發(fā)射,同時,由于陰極濺射作用,工件表面的C、O、Fe等原子被轟擊出來,F(xiàn)e與陰極附近的活性N原

5、子﹝或N離子﹞結(jié)合形成FeN沉積在陰極表面,依次分解:FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N,并同時產(chǎn)生活性N原子,由于陰極由表及里的高N濃度差,活性N原子在一定溫度下,向心部擴散形成滲氮層。離子滲氮物理基礎(chǔ)【2009-1-8】離子滲氮物理基礎(chǔ)離子滲氮是在真空爐體內(nèi),通過稀薄氣體的輝光放電,形成的由離子、電子和中性粒子所構(gòu)成的等離子體中進行的,所以,有必要了解有關(guān)的知識。﹝一﹞真空真空是相對大氣而言。所謂真空,是指在給定的空間內(nèi),氣體分子密度大大低于周圍大氣壓下的氣體分子密度的狀態(tài)。通常用真空度來衡量氣體分子密度大小的

6、程度,真空度常用壓強單位來表示,真空度越高,則氣體分子密度越小,也就是壓強低,反之,真空度越低,則氣體分子密度越大,也就是壓強高。所以,真空度高和壓強低是同義的。真空計量中,采用了Torr﹝托﹞和Pa﹝帕﹞等單位:1Torr=1/760atm﹝標準大氣壓﹞1Torr=133.3Pa1Pa=1N﹝牛頓﹞/m21Pa=7.5006×10-3Torr﹝二﹞稀薄氣體放電1.等離子體等離子體是由離子、電子及中性粒子所構(gòu)成的一種電離氣體,整體顯電中性。等離子體中由于有大量的帶電粒子,所以具有良好的導(dǎo)電性。等離子體中的帶電粒子在外

7、電場的作用下,向與自己電極性相反的電極做帶有方向性的運動,使氣體通導(dǎo)電流。等離子體化學(xué)反應(yīng)比熱化學(xué)反應(yīng)更容易進行。2.稀薄氣體放電伏安特性為獲得等離子體必須使中性粒子電離,離子滲氮的是利用稀薄氣體放電而獲得等離子體的。在稀薄氣體的真空容器內(nèi)的兩個電極施加電源電壓到c點時,陰陽極間電流突然增大,陰極部分表面開始產(chǎn)生輝光,陰陽極間電壓下降。隨后電源電壓增大,陰極表面產(chǎn)生的輝光面積增大,但陰陽極間電壓不變,至d點,陰極表面完全被輝光覆蓋。此后,電流增加,陰陽極間電壓隨之增加。超過e點,電流劇烈增大,陰陽極間電壓突降,輝光熄

8、滅,陰極表面出現(xiàn)弧光放電。c點對應(yīng)的電壓稱為輝光點燃電壓。從c點至d點,稱為正常輝光區(qū),從d點至e點,稱為異常輝光區(qū)。離子滲氮工作在異常輝光區(qū),在此區(qū)輝光均勻覆蓋工件表面,且可通過改變陰陽極間電壓及陰極表面電流密度,實現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。氣體性質(zhì)、電極材料及溫度一定時,輝光點燃電壓與氣體壓強和陰陽極距離的乘積有關(guān),離子滲氮的點燃電壓為400-500

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