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(guò)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(diǎn)﹝1﹞滲氮后的零件表面具有高的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)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(guò)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(guò)程滲氮和其他化學(xué)熱處理工藝一樣，也是由分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程組成的。﹝1﹞分解滲氮介質(zhì)﹝通常為氨

2、氣﹞通過(guò)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(kuò)散氮從表面高濃度的飽和層向鋼內(nèi)層深處進(jìn)行擴(kuò)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(gè)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相是含氮量變化范圍相當(dāng)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

3、的作用，也影響滲氮層的形成。碳的存在會(huì)使氮的擴(kuò)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(shí)，V、W、Mo、Cr等合金元素還能改善鋼的組織，提高心部的強(qiáng)韌性。合金元素也會(huì)使氮的擴(kuò)散受阻，減小滲氮層的厚度。﹝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(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程組成的。但是，由于輝光放電的作用，其機(jī)理有所不同。在真空爐體內(nèi)，工件接陰極，爐體接陽(yáng)極，在陰陽(yáng)極間施加

4、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(dòng)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(shí)，由于陰極濺射作用，工件表面的C、O、Fe等原子被轟擊出來(lái)，F(xiàn)e與陰極附近的活性N原子﹝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(shí)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(kuò)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

5、空爐體內(nèi)，通過(guò)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(jìn)行的，所以，有必要了解有關(guān)的知識(shí)。﹝一﹞真空真空是相對(duì)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(lái)衡量氣體分子密度大小的程度，真空度常用壓強(qiáng)單位來(lái)表示，真空度越高，則氣體分子密度越小，也就是壓強(qiáng)低，反之，真空度越低，則氣體分子密度越大，也就是壓強(qiáng)高。所以，真空度高和壓強(qiáng)低是同義的。真空計(jì)量中，采用了Torr﹝托﹞和Pa﹝帕﹞等單位：1Torr＝1/760atm﹝標(biāo)準(zhǔn)大氣壓﹞1Torr＝133.3Pa1Pa＝1N﹝牛頓﹞/m21Pa＝7.

6、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電場(chǎng)的作用下，向與自己電極性相反的電極做帶有方向性的運(yùn)動(dòng)，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(jìn)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(gè)電極施加電源電壓到c點(diǎn)時(shí)，陰陽(yáng)極間電流突然增大，陰極部分表面開始產(chǎn)生輝光，陰陽(yáng)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，

7、但陰陽(yáng)極間電壓不變，至d點(diǎn)，陰極表面完全被輝光覆蓋。此后，電流增加，陰陽(yáng)極間電壓隨之增加。超過(guò)e點(diǎn)，電流劇烈增大，陰陽(yáng)極間電壓突降，輝光熄滅，陰極表面出現(xiàn)弧光放電。c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓稱為輝光點(diǎn)燃電壓。從c點(diǎn)至d點(diǎn)，稱為正常輝光區(qū)，從d點(diǎn)至e點(diǎn)，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(guò)改變陰陽(yáng)極間電壓及陰極表面電流密度，實(shí)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(shí)，輝光點(diǎn)燃電壓與氣體壓強(qiáng)和陰陽(yáng)極距離的乘積有關(guān)，離子滲氮的點(diǎn)燃電壓為400-500