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离子渗氮技术及其应用


~ 工艺 ~

离子渗氮技术及其应用
胡月娣 ,赵增爵 ,沈介国
(上海热处理厂有限公司 ,上海 200050 )

摘   : 离子渗氮技术的理论基础是气体辉光放电特性 ,具有渗氮质量稳定 ,节能减排等优点 。多种材料及 要 不同条件下服役的零件经离子渗氮后 ,在表面硬度 、 渗层深度 、 硬度梯度 、 畸变量等方面均

能达到相 关的技术要求 。介绍了一些典型工件进行离子渗氮的实例 , 并指出了生产中离子渗氮方面尚需解 决的问题 。 关键词 : 离子渗氮 ; 不锈钢 ; 深渗氮层 ; 微变形渗氮 + 中图分类号 : TG156. 8 2        文献标识码 : B        文章编号 : 1008 2 1690 ( 2009 ) 01 20053 2004

Ion N itr id in g and Its Applica tion

( Shanghai Heat Treatm ent Co. , L td. , Shanghai 200050 )

Abstract: The ion nitriding technology is based on a gas glow discharge characteristic in theory and possesses such advantages as stable nitriding quality, energy2saving, less pollutant discharge and so on. After being ion 2nitrided ion nitriding . Key W ords: ion nitriding; stainless steel; deep nitrided case; m icro 2distortion nitriding

many materials and the parts serviced under different conditions w ill all meet the requirem ents in respect of surface workp ieces was introduced as an examp le. Some open questions were summarized as well in p roduction about the

hardness, case dep th, hardness gradient and amount of distortion. In this paper, the ion nitriding of some of typ ical

   近十几年来 ,离子渗氮技术的应用取得了很大

的进展 ,处理设备和工艺都发生了相当大的变化 。 人们在工程设计上采用离子渗氮技术也有了甚为深 刻的认识
[1]

。同时 ,等离子体技术的材料表面改性

已不限于离子渗氮 ,还出现了离子渗碳 ,离子碳氮共 渗 ,离子渗硼 ,离子渗硫和离子硫氮碳共渗等一系列 工艺方法
[2]



由于等离子体技术对材料表面改性的显著优越

性 ,易于控制和对环境友好等特点 , 所以 , 等离子体 技术已愈益得到广泛应用 , 物理气相沉积的拓展已 技术 ,但人们并不一定完全了解其相应的原理 。离 子渗氮在很多场合称作为辉光放电渗氮 、 等离子渗 氮等 ,其基础是建立在气体辉光放电技术上的 。

充分证实这点 。尽管离子渗氮已不再作为一项新的

1  离子渗氮技术概述

   收稿日期 : 2008 204 207

作者简介 : 胡月娣 ( 1954 2) ,女 ,上海人 ,高级工程师 ,长期从事化学热处理工艺工作 , 上海市热处理学会理事 。 联系电话 : 021 2 62522020 ×  E 2 16 mail: huydi@126. com

辉光放电的电压 2 流特性曲线 (亦称 Paschen 电

HU Yue 2di, ZHAO Zeng2jue, SHEN J ie 2guo
《 热处理 》   2009 年第 24 卷   1 期 第

曲线 )示于图 1 中 。根据该图分非自持暗放电 区、 自持暗放电区 ( Townsend 区 ) 、 电晕放电区 ( Co2 )、 ( Subnor al Glow D ischarge rona 区 亚辉光放电区 m 区 )、 正常辉光放电区 ( Normal Glow D ischarge 区 ) 、 异常辉光放电区 (Abnormal Glow D ischarge 区 ) 和弧 光放电区 (A rc D ischarge 区 ) , 离子渗氮应工作在异 常辉光放电区内 。随着工件阴极和阳极之间的电流 增加 ,电压也升高 ,一般电压常在 400 ~800 V 之间 , 2 电流密度达 0. 5 ~5 mA / cm , ,相应常用气压范围为 [4] 100 ~1000 Pa 。这时产生的辉光应全部覆盖于工 件阴极的表面 。人们应该注意的是 : 当电压超过图 1 的最高点后 , 电流突然增大 , 极间电压急剧下降 , 辉光熄灭 ,阴极表面会出现强烈弧光 。这是绝对应 该避免的 。 当采用 NH3 处理钢铁材料 , 在一定温度 , 点燃 电压与压强 P 和极间距 d 的乘积有关 , 需在巴邢曲 线上的最低 点处 确定 。 室温 下 , 最 低点 燃电压 约
?53?

[ 1 ~3 ]

400 V ,在阴极工件与阳极间距为 30 ~70 mm 时 , 相

应最低气压为 43 ~19 Pa,即 P × 值约为 1300 Pa? d [2] mm 。

离子渗氮过程中在工件阴极表面发生的反应示 于图 2 中 。图中上部画出了近工件阴极表面的阴极 电位降 。这主要分布在近工件阴极的阿斯顿暗区 、 [2] 阴极辉区和阴极暗区三个区域部位 。

图 2  离子渗氮中阴极表面的反应

Fig 2  Reaction at cathode surface during ion nitriding .

   离子渗氮和气体渗氮相比具有以下的优点 : ( 1 ) 显著缩 短渗 氮作 业时 间 , 一 般可 使周 期减 少 33% ~50% ; ( 2 ) 明显减小工件处理后的畸变 ,为此 可减少渗氮后的加工 ; ( 3 ) 采用机械屏蔽可以方便 地实现防渗 ; ( 4 ) 对复杂外形的工件易于获得均匀
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Fig 1  Scheme of valtage2current characteristic curve ( Paschen curve ) of glow discharging .

图 1  辉光放电电压 2 流特性曲线 ( P a sche n 曲线 )示意图 电

的渗层 ; ( 5 )减轻劳动强度 ,减少气体的耗损 ; ( 6 ) 对 环境友好 ,不产生公害 ; ( 7 ) 如采用氮气 、 氢气或碳 氢化合物等 , 可以获得 ε相 ( Fe2 - 3 N ) ,γ′ ( Fe4 N ) 相 或无白亮化合物层的表面渗层 , 以满足特定场合的 [ 3, 5, 6 ] 要求 。

2  离子渗氮的应用

2. 1   不锈钢零部件的局部离子渗氮

对需要渗氮的不锈钢工件采用离子渗氮特别有 效 。因为辉光放电的离子轰击作用 , 可以清除表面 的钝化膜 ,因而工件渗氮前无需进行特别去钝化膜 处理 。此外 ,对需局部渗氮的不锈钢工件可方便地 用机械屏蔽方法解决非渗部位的防渗 。为此 , 需局 部渗氮的不锈钢汽车零件常采用离子渗氮强化表 面 ,常见材料有 304、 316L , Cr13 型钢等 。 某核电站控制阀零件 , 材料 420 ( 2Cr13 ) 钢 , 渗 氮技术条件为 : 表面硬度 > 850 HV1, 硬化层深度 0. 20 ~0. 25 mm ,需局部防渗 。零件渗氮及防渗部 位示意图如图 3。 该工件在淬火回火后进行渗氮 。离子渗氮后工 件后表面 硬度 为 980 ~ 1050 HV1, 硬化 层深度 为
0. 23 ~0. 25 mm ,基体硬度 30 HRC。该工件离子渗

氮后基本上不发生畸变 。而原来采用气体渗氮时 , 工件尺寸胀大约 0. 02 mm。 2. 2   扩散层有特定要求工件的离子渗氮 我国现行的离子渗氮质量指标常用表面硬度和 渗层深度二项 ,而国际制造业根据工件服役时的受 力情况 , 往往对渗氮件增加渗层 (扩散层 ) 硬度指 标 ,即要求渗氮层硬度梯度平缓 ,这对提高工件抗疲 劳性能十分有利 。 离子渗氮层的硬度及硬度梯度取决于材料种类 和渗氮工艺 ,扩散层硬度指标的提出对离子渗氮技

《 热处理 》   2009 年第 24 卷   1 期 第

术提出了更高的要求 , 按常规的离子渗氮工艺生产 很难达到质量指标 。我们通过工艺试验 , 不断调整 渗氮温度 、 、 、 时间 气压 流量等工艺参数 ,达到了所要 求的质量控制目标 。

洞全部堵塞 。针对工件尺寸大且截面厚薄不均匀 , 形状复杂 ,渗氮时极易畸变的特点 ,采取了以下相应 措施 : ( 1 )合理安排冷热加工工序 : 坯料 → 正火 、 高温 回火 → 切削 、 、 钻孔 初磨 → 稳定化处理 ( 580 ℃) → 精 磨→ 离子渗氮 。 ( 2 )离子渗氮时采用阶梯升温 , 选择较小的电 流密度缓慢加热工件 。 ( 3 )在临近保温温度和保温阶段经常熄灭辉光 以目测温度和温度均匀性 ,通过仔细调节气压 ,改善 工件温度均匀性 。 渗氮工艺曲线见图 4。离子渗氮质量检测结果 见表 2。 加热板离子渗氮硬度梯度曲线见图 5 (基体硬 度 185 HV )

图 3  要局部渗氮的不锈钢零件
Fig 3  Part of stainless steel to be selectively nitrided .

   1 是几种有扩散层硬度要求的零件离子渗氮 表 后的测试结果 。
表 1  某些钢渗氮扩散层硬度测试结果
Ta b le 1   I n n itride d re su lts fo r som e s te e ls o

材料

技术条件 表面硬度 /HV1    > 900
0. 03 mm 处 /HV0. 3  ≥650

测试结果
1000 ~1200 850 ~1100

图 4  加热板离子渗氮工艺曲线
Fig 4   Ion nitriding p rocess for heating p late .

316L

表 2  加热板离子渗氮质量检测结果
Ta lbe 2  S u rfa ce ha rdne s s a nd dep th o f i n 2n itride d o ca se fo r he a ting p la te

硬化层深度 /mm    ≥0. 10    > 870 (0. 0254 mm )处 /HV0. 1    > 776 (0. 1016 mm )处 /HV0. 1 表面硬度 /HV0. 3    > 578
42Cr o M 0. 5 mm 处 /HV0. 1   ≥441 0. 004 inch 0. 001 inch

≥0. 15
980 ~1100 780 ~850 650 ~720 455 ~470

质量项目

技术条件

检测结果

H11

表面硬度 /HRC

62 ~70  756 HV (相当于 62. 5 HRC) > 0. 40 0. 48

硬化层深度 /mm

硬化层深度 /mm    ≥0. 76

≥0. 76

2. 3   大型薄壁件的微变形离子渗氮

离子渗氮法利用辉光放电直接对工件进行加 热 ,工件加热时可以获得均匀的温度分布 。此外 ,辉 光放电时有阴极溅射作用 ,会使工件尺寸减小 ,这可 抵消由于渗氮引起的体积胀大 , 故渗氮后要求畸变 小的工件通常采用离子渗氮 。 某加热板工件 , 材料 15C r o 钢 , 尺寸 1820 mm M × 1620 mm × mm , 板上分布了许多大小不一的 75 孔洞 。由于孔洞处易引起辉光放电集中 , 局部电流 密度偏大 ,温度偏高 , 造成工件各部位温度不均匀 , 给离子渗氮时准确测量温度和控制温度带来困难 , 从而影响渗氮质量 。故渗氮时需用销 、 螺钉等将孔

图 5  加热板离子渗氮层硬度梯度曲线

   经测量 , 离子渗氮后加热板平面最大畸变量 < 0. 15 mm ,无需后续机械加工 ,完全达到了设计要求。 2. 4   要求深渗氮层传动部件的离子渗氮 42C r o 钢辊端轴套 (图 6 )是轧机传动轴零件 , M
?55?

《 热处理 》   2009 年第 24 卷   1 期 第

Fig 5 Hardness p rofile in ion2nitrided case of heating p late .

使用时要求具有较高的耐磨性和抗疲劳性能 。轴套 离子渗氮技术条件为内孔表面硬度 > 600 HV , 硬化 深度 > 0. 80 mm。超过常规 ( 0. 30 ~0. 50 mm ) 的渗 氮层深度要求与较高的表面硬度 , 这对相互制约的 质量指标是渗氮技术的控制难点 。为此进行了大量 工艺试验工作 ,研制了相应的深层离子渗氮工艺 ,在 精心操作下完成了工艺过程 ,达到了技术指标 。

面硬度高 (一般可比气体渗氮件高出 50 HV ) , 硬度 梯度平缓 ,渗层均匀 , 韧性好 , 工艺重复性好 。使用 脉冲电源替代直流电源的加热设备 , 其自动化程度 大大提高 ,操作简化 , 控制精度高 , 进一步保证了产 品质量的稳定性 。 ( 2 )离子渗氮工艺的节能减耗优点体现在二个 方面 : ① 离子渗氮渗速快 ,处理时间短 ,耗能低 ,耗气 量明显降低 。 ② 降低了零件制造加工成本 。离子渗 氮畸变小 ,粗糙度变化小 , 局部渗氮方法简单 , 零件 渗氮后无需机械加工 。此外 , 由于工艺材料适用性 广 ,不仅适合合金结构钢 ,工模具钢 ,冷加工成型性 、 可焊性好的不锈钢常用离子渗氮实现表面强化 , 且 应用增长较快 。同样 , Q235、 钢等普通碳素钢也 45 能采用离子渗氮工艺进行表面强化 。 ( 3 ) 离子渗氮技术不仅与设备性能及工艺有 关 ,装炉方式 ,工装 , 工艺操作等均起重要影响 。离 子渗氮时 ,由于工件形状 , 装炉量等的影响 , 渗氮炉 热电偶显示温度与实际工件温度相差较大 , 工件实

图 6  轴套零件图
Fig 6  Scheme of shaft sleeve .

际渗氮温度的控制很大程度上取决于操作者的实践 经验 。此外 ,对于不同材料 、 不同形状工件的同炉混 装 ,生产中存在较大困难 。同时 ,怎样缩短深层渗氮 的工艺时间 ,如何通过气源的选择和改变原料气的 配比 ,以控制渗氮层组织等问题都有待通过大量生 产实践去探索解决 。 参考文献
[ 1 ] D. Pye. N itriding Techniques, Ferritic N itrocarburizing and Auste2 nitic N itrocarburizing Techniques and Methods[ A ]. G E. Totten, . Press, 2007: 475 2 537. Steel Heat Treatm ent, metallurcy and Technologies [ C ] , CRC [ 2 ] 戴达煌 ,等 . 现代材料表面技术科学 [M ]. 北京 : 冶金工业出版 [ 3 ] W. Koracs, et al An Introduction to I N itriding2 hat is it? W hy . on W is it used? W here is it U sed? [ A ]. T Spalrins, I N itriding . on [ C ]. Proc. of an International Conference on Ion N itriding, 1986, AS International, 1986: 9. M [ 4 ] JB / T 6956 2 2007 钢铁件的离子渗氮 [ S ]. [ 5 ] Ruth Chatterjee2Fischer, 等 . N itrieren und N itrocarburieren [ M ]. [ 6 ] 夏立芳 ,等 . 钢的渗氮 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 1989.

   离子渗氮后的轴套内孔表面硬度达 720 HV ,硬 化层深度为 0. 86 mm (基体硬度为 340 HV ) ,完全达 到了零件的设计要求 。渗氮层硬度梯度曲线见图 7。

图 7  轴套离子渗氮层硬度梯度曲线图

   深层离子渗氮技术在港口机械针轮零件 (材料 为 42C r o 钢 )上也得到过较好的应用 。 M 深层离子渗氮工艺的开发成功为拓展离子渗氮 在大型机械零件的表面强化方面的应用作了尝试 。

3  结论

Fig 7  Hardness p rofile in ion 2nitrided case of sp indle sleeve .

( 1 )离子渗氮的渗层质量高 。离子渗氮工件表

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社 , 2004: 193 2 502.

北京 : 机械工业出版社 , 1986.


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