离子渗氮基础工艺原理Word格式文档下载.docx
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在真空炉体内，工件接阴极，炉体接阳极，在阴阳极间施加数百伏直流电压，产生辉光放电，使含氮稀薄气体﹝如氨气﹞电离，形成等离子体。
N+、H+离子在阴极位降区被加速，轰击阴极表面，使阴极表面活化，并发生一系列反映。
一方面，离子轰击动能转化为热能，加热工件。
另一方面，离子轰击打出电子，产生二次电子发射，同步，由于阴极溅射作用，工件表面C、O、Fe等原子被轰击出来，Fe与阴极附近活性N原子﹝或N离子﹞结合形成FeN沉积在阴极表面，依次分解：
FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N，并同步产生活性N原子，由于阴极由表及里高N浓度差，活性N原子在一定温度下，向心部扩散形成渗氮层。
离子渗氮物理基本
离子渗氮物理基本
离子渗氮是在真空炉体内，通过稀薄气体辉光放电，形成由离子、电子和中性粒子所构成等离子体中进行，因此，有必要理解关于知识。
﹝一﹞真空
真空是相对大气而言。
所谓真空，是指在给定空间内，气体分子密度大大低于周边大气压下气体分子密度状态。
通惯用真空度来衡量气体分子密度大小限度，真空度惯用压强单位来表达，真空度越高，则气体分子密度越小，也就是压强低，反之，真空度越低，则气体分子密度越大，也就是压强高。
因此，真空度高和压强低是同义。
真空计量中，采用了Torr﹝托﹞和Pa﹝帕﹞等单位：
1Torr＝1/760atm﹝原则大气压﹞1Torr＝133.3Pa
1Pa＝1N﹝牛顿﹞/m21Pa＝7.5006×
10-3Torr
﹝二﹞稀薄气体放电
1．等离子体
等离子体是由离子、电子及中性粒子所构成一种电离气体,整体显电中性。
等离子体中由于有大量带电粒子,因此具备良好导电性。
等离子体中带电粒子在外电场作用下，向与自己电极性相反电极做带有方向性运动，使气体通导电流。
等离子体化学反映比热化学反映更容易进行。
2．稀薄气体放电伏安特性
为获得等离子体必要使中性粒子电离，离子渗氮是运用稀薄气体放电而获得等离子体。
在稀薄气体真空容器内两个电极施加电源电压到c点时，阴阳极间电流突然增大，阴极某些表面开始产生辉光，阴阳极间电压下降。
随后电源电压增大，阴极表面产生辉光面积增大，但阴阳极间电压不变，至d点，阴极表面完全被辉光覆盖。
此后，电流增长，阴阳极间电压随之增长。
超过e点，电流激烈增大，阴阳极间电压突降，辉光熄灭，阴极表面浮现弧光放电。
c点相应电压称为辉光点燃电压。
从c点至d点，称为正常辉光区，从d点至e点，称为异常辉光区。
离子渗氮工作在异常辉光区，在此区辉光均匀覆盖工件表面，且可通过变化阴阳极间电压及阴极表面电流密度，实现工艺参数调节。
气体性质、电极材料及温度一定期，辉光点燃电压与气体压强和阴阳极距离乘积关于，离子渗氮点燃电压为400-500V。
3．辉光放电
辉光放电气压普通为数十帕至数千帕，电流密度为数毫安/平方厘米，电压数百伏，是高电压小电流密度放电。
﹝1﹞辉光放电发光分布
辉光是原子由激发状态回到基态，或由电离态变成复合态时放出电磁波。
不同气体电磁波波长不同样，辉光颜色也就不同。
辉光从阴极到阳极分布是不均匀，从阴极到阳极分为阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区等几种区域，各区域辉光亮度和电压位降都不同样。
﹝2﹞阴极位降区
阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区三区宽度之和总称为阴极位降区dk，阴阳极间电压重要降落在阴极位降区之内。
阴极位降区dk与电压、气压、气体成分关于。
阴极位降区dk与气压呈反比﹝p×
dk＝常数﹞，它是维持辉光放电不可缺少区域，若阴阳极距离d＜dk，辉光就熄灭。
运用此原理，可以对阴极进行间隙保护。
﹝3﹞空心阴极辉光放电
阴极位降区dk加上负辉区长度称为阴极放电长度d辉。
两个阴极都产生辉光放电状况下，当两个阴极距离d1，2＜2dk时，辉光熄灭；
两个阴极距离d1，2＞2d辉时，两个阴极位降区互相独立，互不发生影响，辉光放电正常进行；
当两个阴极距离d1，2＜2d辉时，两个负辉区合并，电流密度增长，辉光强度增强，这种现象称作空心阴极效应。
在离子渗氮工艺操作时，经常通过调节气压p等工艺参数，来调节d辉，控制空心阴极效应产生。
4．弧光放电
弧光放电普通电压为数十伏，电流密度为数百安/平方厘米，是低电压大电流密度放电。
放电发生在阴极局部。
弧光放电形成因素重要有热电子发射和场致电子发射。
离子渗氮工艺
﹝一﹞离子渗氮工艺参数
1．渗氮温度
渗氮温度是重要工艺参数，温度高低直接影响渗氮速度﹑硬度及渗氮层组织。
在一定渗氮温度范畴内，温度越高，氮原子迁移及扩散能力越强，渗氮速度越快，渗氮层也就越厚。
不同材料渗氮温度有一最佳值，在此温度下，渗氮层硬度最高。
2．渗氮时间
渗氮层与渗氮时间呈抛物线关系。
3．气体成分
生产上惯用离子渗氮气体重要有氨气﹝NH3﹞﹑N2+H2及热分解氨。
在离子渗氮气体基本上加一定比例含碳气体﹝如酒精﹑丙酮蒸发气﹞，可进行离子NC共渗﹝离子软氮化﹞。
4．气压
气体压力影响辉光放电特性，气压高，阴极位降区dk小，辉光层薄；
气压低，阴极位降区dk大，辉光层厚。
普通离子渗氮气压在数百Pa。
对有孔﹑窄槽工件，要注意调节气压，变化阴极放电长度d辉，避免浮现空心阴极效应。
5．电参数
离子渗氮电压和电流密度重要取决于渗氮温度高低及气压等，普通在保温阶段电流密度为0.5-5mA/cm2,电压600-700V。
﹝二﹞适于离子渗氮材料
1．碳钢
碳钢渗氮效果较差，渗层硬度低。
因此，普通采用离子NC共渗﹝离子软氮化﹞，提高表面硬度，满足规定不高表面耐磨零件﹝如汽车摩擦片﹞。
2．合金构造钢
典型渗氮合金构造钢有38CrMoAl﹑42CrMo﹑40Cr﹑35CrMo﹑20CrMnTi﹑20Cr﹑50CrV﹑P20等材料,通过渗氮,得到高表面硬度﹑耐磨性和抗疲劳性能。
广泛地应用于齿轮﹑轴套等机械零件及塑料模具。
合金构造钢预先热解决普通为调质解决，渗氮温度必要低于调质回火温度，保证心部强度不会减少。
3．工模具钢
热作模具钢3Cr2W8V﹑H13﹑8407等材料制做热作模具﹝如压铸模﹑挤压模等﹞通过渗氮后，大大提高耐磨性﹑疲劳强度﹑抗蚀性及减小粘附能力。
高速钢及Cr12MoV﹝高淬高回﹞等材料制做刀具﹑冷作模具及工具，通过渗氮解决，可大大提高使用寿命。
4.铸铁
离子渗氮对于合金铸铁和球墨铸铁也有广泛应用。
内燃机曲轴﹑钢套等零件离子渗氮后有良好效果。
5.
不锈钢
离子渗氮可以大幅度提高Cr13型和1Cr18Ni9Ti等不锈钢硬度和耐磨性。
﹝三﹞离子渗氮工艺几种问题
1．渗氮工件温度测量
普通热解决设备是运用电热体发热加热工件，炉膛内温度基本一致，测温热电偶温度也能代表工件温度。
离子渗氮工件是靠自身辉光放电加热，并且由于工件带阴极电位，热电偶也不能与工件直接接触，因此，测温热电偶温度与工件温度往往不一致。
炉内工件越少，热电偶距离工件越远，热电偶温度与工件温度相差越大。
实际工艺操作时，经常采用目测温度﹑模仿测温等办法，弥补测温不精确问题。
2．温度均匀性
离子渗氮工件是靠自身辉光放电加热，同一炉不同工件，质量不同，表面积不同，受热也不同。
因此，工件温度也许不均匀。
实际工艺操作时，同一炉工件相差不要太悬殊。
要考虑工件装炉方式，质量大，表面积小工件受热条件差，温度也许偏低，装炉时，放在阴极盘内圈或下部，必要时，加恰当辅助阴极。
3．带有小孔、窄缝工件解决
带有小孔、窄缝工件，容易产生空心阴极效应，导致局部电流密度过大，温升过高而产生弧光放电，工艺不能进行。
最佳将小孔、窄缝屏蔽﹝堵或盖﹞，如果不易屏蔽，则必要调节气压，来调节阴极放电长度d辉，避免产生空心阴极效应。
4．减小渗氮工件变形办法
离子渗氮工件变形很小，普通可以满足工件精度规定。
对于精度规定很高工件，可以采用如下办法，减小变形：
﹝1﹞缓慢升温
﹝2﹞在精加工前，增长一道失效解决工艺，消除冷加工应力。
﹝四﹞惯用钢离子渗氮工艺
材
料
原始组织
离子渗氮成果
惯用
温度
范畴
℃
类
别
序
号
钢
种
预先
热处
理
硬度
HB>
表面
HV5
≥
深度范畴
化合
层
μm
总深
mm
合
金
结
构
钢
1
20Cr
正火
180
550
0.2
~
0.5
520
调质
200
2
20CrMnTi
650
600
3
40CrNiMo
220
4
40Cr
500
渗
氮
5
30CrMoAl
850
0.30
0.50
210
800
6
38CrMoAlA
240
950
工
模
具
7
3Cr2W8V
300
0.15
540
淬火
+
回火
HRC>
45
1000
0.10
0.25
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离子渗氮工艺质量检查
1．渗氮层厚度
渗氮层涉及化合层和扩散层，渗氮层厚度和时间呈抛物线关系。
惯用金相法和硬度法测量渗氮层厚度。
﹝1﹞金相法
将金相试样磨制，通过试剂﹝化合层用2-4％硝酸酒精溶液，扩散层用5％苦味酸酒精溶液﹞腐蚀后，用金相显微镜放大100-200倍测量，从表面测至与基体有明显界限为止，其长度即为渗氮层厚度。
﹝2﹞硬度法
用100g负荷维氏硬度计从表面至心部垂直打硬度，打到高于基体硬度30-50Hv处,从表面至此处距离做为渗氮层厚度。
2．渗氮层硬度
渗氮层表面硬度用5-10Kg负荷维氏硬度计测量，渗层厚度≤0.2mm时，负荷不应超过5Kg。
化合层表面硬度用50-200g负荷显微硬度计测量。
3．渗氮层脆性检查
用10Kg负荷维氏硬度计打渗氮试样表面，以压痕完整限度评估脆性。
离子氮化设备简介
【-2-25】
辉光离子氮化设备简介
武汉安德热解决设备有限公司是专门从事离子氮化工艺研究、设备生产专业公司。
对辉光离子氮化炉设计、生产积累了丰富经验。
重要产品有LD系列离子氮化炉、LDMC系列脉冲离子氮化炉、带辅助加热离子氮化炉。
我公司顾客遍及全国二十余省、市机械行业，咱们优质产品和服务得到顾客好评和信赖。
咱们设备可觉得顾客提高产品质量，创造更大效益是咱们工作目的。
一.离子氮化工艺
离子氮化是一种可以明显提高钢铁零件表面硬度﹑耐磨损﹑耐疲劳和耐腐蚀性能化学热解决工艺。
将欲解决零件置于真空炉体内，在真空条件下，往炉内充以稀薄含氮气体。
零件接离子电源阴极，炉体接阳极，阴阳极接数百伏直流电压。
由于电场作用，炉内稀薄气体被电离，氮离子定向撞击阴极（零件），零件表面产生辉光放电并被加热。
在一定氛围和一定温度下，零件表面复合、吸取氮原子，形成高浓度含氮层并向心部扩散，通过一段时间，得到工艺规定所需要氮化层。
离子氮化工艺由于其节能﹑省气﹑效率高﹑质量好﹑无污染等长处，在动力﹑机床﹑石化机械﹑轻纺机械﹑摸具等行业中得到了广泛应用。
二.离子氮化设备
设备重要用于机械零件离子氮化、离子氮碳共渗（软氮化）等离子化学热解决工艺，使机械零件表面改性，获得所需要机械性能和物理化学性能。
成套设备由离子电源﹑真空炉体﹑真空获得系统﹑测控温系统﹑供气系统等构成。
2.1
离子电源
离子电源是离子氮化设备中核心某些，离子电源与否稳定可靠直接影响整台设备正常工作和工艺质量好坏。
离子电源分为直流离子电源和脉冲离子电源，顾客可依照需要选用。
2.1.1直流离子电源
直流离子电源重要涉及整流变压器﹑可控硅整流电路﹑L-C振荡灭弧电路﹑截止反馈电路﹑控制电路。
直流离子电源具备阴阳极短路、过流过压、缺错相、误操作等保护功能。
2.1.2脉冲离子电源
脉冲离子电源是在直流离子电源基本上加装由IGBT元件及控制电路构成斩波器，通过斩波得到占空比可调脉冲电流。
脉冲电源与直流电源相比具备灭弧快、节能（省电20%左右）等长处，是直流电源更新换代产品，该电源可广泛应用于离子渗氮、离子渗碳、离子渗金属等领域。
脉冲离子电源设有阴阳极短路、过流过压、缺错相、误操作等保护，提高了电源应对外界因素自身保护功能。
我公司生产脉冲离子电源分为仪表控制型和计算机控制型两大类。
2.1.2.1仪表控制型脉冲离子电源
顾客可依照工艺规定预先在温度控制器中设定多段升温曲线、保温平台，在压力控制器中设定多段升压曲线、保压平台，通过模糊自适应PID调节控制，保证温度、压力完全按设定工艺进行，完毕整个工艺过程自动控制。
这样，节约了人力，避免了人工操作对工艺质量影响，使工艺质量稳定性和重现性大大提高。
下图为某工艺温度曲线和压力曲线，在温度控制器和压力控制器中设定完毕即可。
2.1.2.2计算机控制型脉冲离子电源
计算机控制型脉冲离子电源已在生产厂家获得了广泛应用。
其主机采用日本三菱可编程控制器和通用商业计算机（或工业计算机），采用MCGS中文工控组态软件。
具备10段升温保温PID控制，仪表控温精度±
1℃，10段升压保压控制，压力控制精度在±
1Pa。
赏心悦目界面令您在轻松环境下工作，清晰视窗界面和提示使操作简捷容易，以便灵活程序编排让您在解决过程中可依照需要及时调节工艺参数设立。
可储存历史工艺参数，便于日后检查和调用。
整个工艺过程实际温度和炉压数据存储在计算机中，经图形软件解决后以彩色图形曲线方式显示在计算机屏幕上，并可打印保存，这对分析和改进工艺有很大协助。
如下为我公司一设备历史曲线窗口界面
该画面可查询历史记录曲线，涉及目的曲线和实际曲线。
阐明：
该画面红实线为记录温度实际曲线，蓝实线为记录压力实际曲线。
计算机控制型脉冲离子氮化设备大大提高了工艺质量，给使用者带来了极大以便。
2.2
真空炉体
炉体由具备国家二级压力容器生产允许证我公司定点协作单位负责制造。
真空炉体分为普通炉体和带辅助加热炉体，顾客可依照需要选用。
2.2.1普通炉体
设备真空炉体分井式（零件吊挂）、罩式（零件堆放）和综合式三种供顾客选购。
真空炉体由炉筒和炉底盘构成。
炉筒体用钢板焊接而成，为双层构造，中间可通水冷却。
各密封面﹝槽﹞用真空橡胶密封圈密封。
炉内装有不銹钢隔热屏﹑阴极盘。
炉筒上开有观测窗。
进气接口装在炉体顶部。
炉底盘上装有阴极输电接口﹑测温接口﹑测压接口﹑抽气接口等。
阴极输电装置由阴极杆、密封件、绝缘垫、承重柱和气隙套构成。
阴极引线通过阴极输电装置与阴极盘相连。
下图为设备阴极输电装置示意图。
真空炉体必要有良好密封，以保证工艺对真空度规定。
依照加工零件尺寸和生产能力规定，真空炉体必要有足够工作容积。
2.2.2带辅助加热炉体
为提高加热效果和炉内温度均匀性，可选取带辅助加热炉体。
在普通炉体内加装电热合金丝（带）、陶瓷绝缘体和固定架构成辅助加热组件构成带辅助加热炉体。
辅助加热必要配套配备相应低电压大电流辅助加热电源。
2.3真空获得系统
真空获得系统由旋片式机械真空泵﹑真空电磁阀﹑真空蝶阀构成，通过真空管道与真空炉体连接。
低真空计用于测量真空炉体真空度。
2.4测控温系统
测控温系统由热电偶﹑控温电路和控温仪表构成。
由热电偶得到温度毫伏信号，通过控温仪表PID调节和有关电路，精准控制工件温度。
2.5供气系统
供气系统由氨气瓶、氨气减压器、转子流量计（或质量流量计）和输气管道构成。
设备配有两只流量计，一只用于氨气流量调节，一只用于渗碳气流量调节，两种气体通过流量计后混合通入炉内，通过调节流量比例可实现氮碳共渗工艺（软氮化）。
三.离子氮化设备重要技术参数和技术指标
3.1直流离子电源重要参数
直流输出电压：
0—1000V可调
直流电源最大输出电流：
规格
LD30A
LD50A
LD75A
LD100A
LD150A
LD300A
电流
30A
50A
75A
100A
150A
300A
灭弧方式：
LC振荡灭弧和截止灭弧
3.2脉冲电源重要参数
脉冲电源最大输出电流：
规
格
LDMC30A
LDMC50A
LDMC75A
LDMC100A
LDMC150A
LDMC200A
平均电流
150A
200A
峰值电流
60A
400A
占空比（脉冲电源）：
0.10—0.85可调
脉冲频率（脉冲电源）：
1000Hz
控制方式（脉冲电源）：
定频调宽
输出波形（脉冲电源）：
矩形方波
3.3炉体某些重要指标
格
LD200A
装炉量
300㎏
600㎏
1000㎏
1500㎏
2500㎏
4000㎏
零件表面积
3.0㎡
5.0㎡
7.5㎡
10.0㎡
15.㎡
20㎡
有效工作
尺寸
Φ600×
Φ700×
Φ1000×
1200
Φ1200×
1400
Φ1400×
1600
Φ1600×
工作温度：
≦650℃
极限真空度：
≤6.67Pa
压升率：
≤0.133Pa／min
仪表控温精度：
±
1℃
四.设备特点
我司在离子氮化设备及工艺方面积累了大量经验，注重于设备可靠性，稳定性和先进性。
设备重要有如下技术特点：
1.真空炉体制造增长焊接后时效工序，法兰密封面磨削加工。
长期保证密封面不变形，从而保证了真空密封规定。
2.保护截止电路特殊设计，虽然阴阳极之间短路，也能自动保护，决不损坏设备和炉内零件。
3.电源整流电路可控硅﹑二极管和脉冲发生电路IGBT元件所有采用进口摸块，线路简朴，质量可靠。
4.操作按钮互相设有保护，虽然操作人员失误操作，也不会损坏设备。
5.动作控制采用固化电路，线路简朴，大大提高可靠性。
6.温度和压力控制采用自适应PID调节。
保证控制精度，减少电参数波动。
五.售后服务和技术服务
为使我司设备可以在顾客生产中发挥更大作用，按交钥匙工程规范规定，咱们建立了成套系统服务。
涉及如下内容：
1.在顾客生产现场进行设备安装和调试。
2.设备保修一年。
3.长期提供维修和配件供应服务。
4.对顾客操作人员和维修人员进行离子渗氮工艺和设备技术讲座、设备操作和维修培训。
六.定购设备阐明
6.1.但愿顾客提供资料
1.氮化零件材料、技术规定、先后工序状况，便于拟定最佳氮化工艺。
2.氮化零件简图、重量、批量，便于协助顾客选取设备功率、炉型和炉体有关尺寸。
6.2.设备使用必要条件
1.与设备功率相匹配50Hz380V三相交流电源。
2.自来水或循环冷却水（压力≧1.5㎏）。
3.渗氮气源（普通使用氨气）。
4.一定面积和一定高度厂房。
∙陕西柴油机重工有限公司联系人：
刘西平（销售部）
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