关于离子氮化

一.离子氮化的基本工艺过程：

1.阴极溅射原理：（1）.离子渗氮炉零件为阴极，炉壳为阳极，氨在一定真空度下（1.3*102—103Pa）和一定的极间电压作用下产生电离。在辉光放电的高压电场作用下，氨被电离成氮正离子.氢正离子及电子，正离子被电场加速轰击表面，一部分转变成热能加热零件，另一部分使离子直接渗入零件或产生阴极溅射。（2）.被轰击出来的铁原子和得到电子的氮原子化合成FeN并被吸附在零件表面，在高温和继续离子轰击作用下，FeN转变成低价的Fe2N Fe2-3N Fe4N α-Fe（N）等。氮化铁有什么性质？氮化表面的氮化物对材料性能有

什么影响？还会生成其他的一些氮化物吗？

2.溅射：离子轰击产生表面原子溅射，并形成薄（0.05mm）的位错层，促进氮原子扩散，改变了氮原子在表面的吸收，离子溅射作用使工件表面得到净化。

3.吸附：在分解成为含氮低的化合物同时，放出活性氮，一部分向零件内部扩散，形成氮化层，另一部分返回重新参加反应，并提高零件表面的氮势，被溅射的铁原子成为有力的“氮载体”.并吸附在零件表面。

4.辉光层：炉气氛中的受激原子恢复基态或电子结合成中性的原子时，发出辉光，形成几毫米厚的辉光层包围零件，氢的辉光呈淡蓝色.氮呈紫色.氨呈紫蓝色。

二．离子渗氮的工艺操作及注意事项：

1.同炉处理的工件应为同种或表面积和质量之比接近的工件。工件至阳极的距离应大致相等，并大于30mm。工件之间应有足够大的距离并要求均匀，在工件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极，安放试样时应考虑温度，尽量和工件一致。

2.工件上有1-4mm孔槽易引起打弧，D4-10mm的孔槽会造成温度不均匀，锈蚀工件清洗干净后方可入炉。

3.工件装炉后，密封炉盖和放气嘴，接通阴阳极导线。预热并校正真空计，氨气热分解炉应提前升温。

4.起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度，并打开气阀充入少量的热分解氨气，使炉压在1.3—13.3Pa左右。

5.闭合高压开关，慢慢升高电压，使零件起辉。清理阶段开始，一般宜用低气压小电流，高档限流电阻，清理阶段正常为扩散弧；但工件装卡不当，接触不良，小孔槽未屏蔽及表面大块状污，绝缘物引起局部电弧损伤工件。起辉后1~2h仍在打弧不减弱，说明不正常，应分析原因或停炉。

6、打散弧清理结束后，转入升温阶段，逐渐加大供NH3量，提高电流、电压加速升温。对精密件变形要求严格件，升温速度小于100℃/h。当温度到200~400℃时，孔洞和勾槽中的机油挥发也会引起打弧，弧点集中在孔槽周围，打弧断续相间，此时可适当减小电压、气压，使打弧电流减小。待油挥发干净后，打弧即会停止。

7、如在某个部位集中打弧，无停止迹象，可调节气压，并判明不打弧的最高气压能否维持工件升温和保温的需要，如能维持保温，可继持保温，可继续渗氮；如不能维持就停泵，打开炉膛，清除打弧源后，再重新抽真空升温。

8、当炉壳温度升到35℃时，开始通冷却水，冷却水出口温度应低于55℃。

9、升温时，应随温度升高，不断增加输入气体的流量或减少抽气率或加高气压，升温时间能常控制在0.5~3h，升温时的电流密度应控制在4~5mA/cm2

10、保温阶段，电流密度比升温时小，可以通过调节气压、电压、氨分解温度等使电流密度一定，工作温度稳定。这时应按工艺确定保温时间，温度在500~540℃，电流密度是升温时的2/3，气压在500~800Pa，辉光层厚2~5mm。

11、保温结束后即可停电，关进气阀、蝶阀，停泵，关仪表，关氨汽化炉。当炉壳温度低于25℃时，再关冷却水。

12、工件在炉内自然冷却，为保证工件表面不产生氧化色，切断电源后，仍使炉内保持真空状态，并冷到150℃左右，开炉空冷。在非渗氮部位须涂油防锈。

13、为提高设备利用率，也可通气冷却，或者用辉光冷却法，即在保温阶段结束前半小时内，用高电压、低气压和小电流使工件维持稀薄辉光。在停止加热后，继续通冷却水，并可通入大量氨气（使冷速加快）。

14、对变形超差零件，应在低于渗氮温度下，部分或整体加热矫直。 15、如零件表面有蓝色，紫色等氧化色，可重新抽气，再用小电流、低气压、高电压使零件表面产生阴极溅射，几十分钟后氧化色可消失。

三.离子渗氮前的准备工作：

1. 渗氮装置及附属设备：（1）.真空计.测温仪表.热电偶应定期校对。（2）.定期检查压升率。（3）.定期清洗真空泵，擦洗观察窗玻璃。（4）.水管.气管应畅通无泄漏。

2. 气源：（1）.应该用液氨的热分解气或氮氢混合气作为气源，（2）.液氨.氮气和氢气必须经减压后使用，减压后压力应恒定，一般不超过20*104Pa。（3）.液氨须经过干燥后使用（用分子筛或硅胶吸水），氮氢气的纯度（体积分数）应大于99.8％。

3. 工夹具及防渗：（1）.根据零件形状.尺寸.重量准备专用或通用夹具，防渗部位要用钢制的套.堵头.螺钉等加以屏蔽，工夹具与屏蔽物必须接触良好，与零件间形成的间隙应小于0.5MM。不允许在防渗部位采用镀铜.镀锡或覆盖非金属如水玻璃.陶瓷等，（2）.一般吊挂件下部，堆放件的上部，应增设辅助阴极或阳极，以保证零件温度均匀性。

4. 试样：试样材料及预先热处理与零件相同，检验面的粗糙度Ra应小于0.8μn ，并尽量将大小厚薄.渗层要求相同的零件同装一炉。 5. 零件：（1）.零件表面粗糙度Ra应小于1.6μn，倒棱.尖角去除毛刺，表面不得有脱碳层.氧化皮和锈斑，（2）.轴类零件应抽查变形量，

经向圆周跳动量应小于渗氮后磨削量的1/2。（3）.零件表面和内孔应用除锈剂.洗涤剂清洗干净后方可入炉。（4）.零件与阳极的距离最好相等。多件生产时，零件最好放在同一直经的圆周上，中间不放工件，零件间巨大于20MM。（5）.长零件应垂直吊放，非工作面允许接触，但不得形成辉光集中的间隙。（6）.热电偶测温头要放在有代表性的位置，检查阴极引线.热电偶引线及阴极支座处是否均匀，不能短路和间隙过大。（7）.离子渗氮前的零件都要进行高于渗氮温度30-50℃的人工时效或低温退火.高温回火等去应力处理。2

四.离子渗氮工艺参数的选用原则： 名称 技术要求 ⑴极限真空度不低于6.7Pa,抽真空<30min 真空度 ⑵工作真空度在70~1000Pa范围 ⑶升温时真空度在400~650Pa ⑷预真空度在7~10Pa φ（N2）20%+φ（H2）80% 液氨过滤脱水,经预热气化后通入炉不存在白层 气源 内。 氮、氢比为9：1最好。 φ（N2）25%+φ（H2）75% 白层达0.0127mm φ（N2）75%+φ（H2）25% 备注 白层厚达0.0254mm 根据材料表面及心部硬度、变形要求等综合考虑，一般合金结构钢520~550℃ 渗氮钢：①一段：510~570℃。②二温度 段：520~530℃+560~580℃ 工模具钢：470~550℃ 不锈钢：540~600℃ 铸铁：540~580℃ 取决于材料，温度和渗层厚度（一般该法对浅层渗层渗氮缩短渗氮时<0.5mm）通常为几十分钟到10几小时间明显，深层渗氮与气体间 时。时间越长,扩散层越深,硬度梯度渗氮时间 越平缓 常用130~670Pa，低气压、强溅射，气体总使化合物层减薄，γ`相增多，扩散层压升率小于1.3×10-1Pa/min 压力 中脉状氮化物减少 装炉量多、渗氮保温时间短，流量应设备功该大些。当处理丝杆、齿轮及带凹槽率/kW 氨气流量及流速 工件时，应流量，发现凹槽部位供氨量渗层硬度深度不均匀时减少抽气速/mL/min 率，提高气压或同时减少供气流量和抽气速率，并相应延长保温时间 100~200 215~365 37510 25 50 ⑴保温阶段电压一般为400~800V，常用550~650V，加热阶段电压为加热工率一般在电压和550~750V 电流 ⑵辉光电流密度为2.5~5mA/cm2,升压取下限值 温阶段电流密度大些 名称 技术要求 同炉处理的渗氮工件,表面的温度与炉温均工艺要求温度之差应控制在±15℃以 匀性调内,当温度超过时可调整气压,调整氨 整 分解率.也可停炉,改变装炉方式或加 辅助阴极、辅助阳极 形状复杂或壁厚不均匀时，范围在30~80mm为宜，常用60mm。应调整两极间距离，减少温距离太小阴阳极间短路，太大须提高阴阳极差。也可以用辅助阳极减少电压 间距离 温差 孔状零件：L/D>8时，孔内加阳极；D—-孔内直径 L/D>16时，孔内加管状阳极 L—-孔内总长

五.离子渗氮时间和层深的关系：

备注 0.5~5W/cm2,形状复杂件电时间（H） 2 层深（mm） 0.1

4 0.14 6 0.20 8 0.30 10 0.34 12 0.37 14 0.40 16 0.42 20 0.45 六.离子渗氮的温度测量和标定：

1.热电偶测温法：（1）.将热电偶直接插入零件的封闭内孔中测温，也可直接接在零件上，这样测温较准确，但炉内热电偶须同炉体绝缘，有间隙保护和橡胶密封。热电偶丝用瓷管保护，保证热电偶不起辉。可以把热电偶丝弯曲成弹簧伏同零件紧密接触，但热电偶测温端与零件之间用一二片母片隔开。

（2）将热电偶插入模拟试样封闭内孔中测温，装炉时，模拟试样与零件处在相同或对称的位置上。

（3）将热电偶插入测温头上，测温头与零件表面压紧接触进行测温。凡在炉内测温的热偶引接的二次仪表应悬空或经隔离变换。测温头测温装置示意图如图所示：

热电偶热端到某一起辉表面的距离应小于2mm，热电偶插入孔内的深度应大于30mm，此时，热电偶的测量值就规定为起辉表面温度。各种测量方法和仪表的标定要求见JB/T6956—1993《离子渗氮》附录A温度测定方法。

（4）瞬间停辉测温法：使铠装热电偶端头直接与工件表面接触，瞬间停辉测温，此法准确可靠，操作简单，缺点是不能连续测量。 （5）玻璃水银温度计测量温法：将玻璃水银温度计从炉壁特制孔中插入，直接接触测温，该法测温准确，仪表灵敏，但测量观察的玻璃

应选用石英玻璃。

2、非接触测温法：用红外光电温度计和双波段比色温度计测量，常用WDL—31光电温度计与XWZK自动平衡记录仪配套使用，反应时间小于1s

3、目测法：目测不准确，仅作参考值。工件表面微红约为520℃，暗红时约为550℃。2

七.离子渗氮件常见缺陷与对策

缺陷特征 产生原因 对策 1）严格工艺纪律，按工艺1）温度过高或过低 2）时间太短，渗层薄 硬度低 3）真空度低，漏气造成氧化 4）氮势不足，材料错 当 3）渗氮温度高造成的硬度低应在脱氮后重新渗氮 1）屏蔽不当， 1）清除零件表面的氮化皮操作 2）检查漏气原因，供气适2）零件上有锡、铀、锌、水玻璃、和油污 软点、软区 塑料等溅射到零件表面 2）不允许零件屏蔽物上有3）零件氧化皮未清理干净 硬度梯度过1) 第一阶段温度偏高 陡 2) 时间太短 非铁物质 1）降低第一阶段温度 2）延长渗氮时间 表层高硬度1）第一阶段温度过低过高 区太薄 2）渗氮时间过短 1）严控第一阶段温度 2）延长保温时间 1）正确装炉，正确设置辅1）炉气循环不好，装炉不当 硬度和渗层2）温度不均，气体流速过大 不均匀 3）狭缝小孔没有屏蔽好 助阴阳极 2）调节压力，加强炉气循环 3）屏蔽狭缝小孔 1）由于温度过低，保温时间短，造1）按工艺生产 表面发亮 成渗氮不足 2）控温准确，时间充足 2）未按工艺生产 1）炉子漏气 表面发兰 2）炉气氛含H2O太多 1）炉内含氧量过高 表面发黑 2）零件油污多 3）对气氛进行干燥 1）严格工艺纪律 1）温度太低，时间短 2）准确测温记时 渗层太浅 2）氮势不 3）检验炉子漏气，供气情3）真空度低 况 1）渗前应力大 变形超差 2）温度不均匀 2）调整温度均匀性 1）渗前去应力处理 2）用肥皂水检验漏气情况 2）液氨应干燥脱水 1）零件清洗 1）检查漏气原因 3）升温速度太快 4）零件结构不对称，摆放不好 3）严控升温度速度 4）改进结构设计 1）控制温度和氮势 1）温度过高，氮势过高 网状或针状2）表面脱碳层未加工掉 氮化物 2）零件不允许有尖角 3）增加预先热生理后的加3）调质后，游离铁素体（体积分数）工余量 大于15% 4）调质后应该是回火索氏体 1）提高渗氮温度，降低氮渗层脆性1）氮势过高，出现氮化物层或网状势 大、局部剥氮化物 落 2）渗层太厚，原始晶粒粗大 2）冷却时，采用氢轰击退氮 3）细化原始晶粒 1）检查炉气密封情况 不锈钢渗不1）炉内含氮量过高，造成氮化 上氮或渗层2）炉气氮势过低 极浅，不均3）炉温太低 匀 氮温度 5）增高铁制附加阴极

缺陷特征 产生原因 对策 4）延长渗氮时间，提高渗3）提高炉气氮势 2）对液氨进行干燥 1）不渗氮的小孔，窄槽屏蔽 2）适当降低真空度，使辉光不叠1）渗氮件的窄槽、小孔、不加，不引起局部温度过高 通孔引起热电子发射和空心3）设法消除阴极，渗氮件上的非阴极放电 工件打弧不2）阴极渗氮件上有非金属物4）调整好屏蔽间隙，改换绝缘材止 沉积 3）阴极击穿，绝缘破坏 料 5）外特性曲线不得超过弧光转变金属沉积物 4）真空度太低，炉气压太高 点 6）不得由于人为的装夹等而形成小间隙

八.三种氮化工艺处理后渗层性能对比：

工艺名减摩.抗咬弯曲疲接触疲劳强冲击疲劳强冷热疲劳强抗粘着称 合及自润滑劳强度 度 性能 气体渗优良 氮 离子渗良 氮 气体氮优良 优良 中 良 优良 优良 优良 优良 较差 优良 中 优良 优良 ---- 良 良 度 度 磨性能 碳共渗

工艺名称 抗磨粒磨润表面硬度HV0.1（不低于） 滑性能 气体渗氮 良 渗层深度碳素结构钢 合金结构钢 合金工具钢 /mm 400 700 950 一般0.3-0.5 特殊0.5-0.7 离子渗氮 良 400 700 950 一般0.2-0.4特殊0.4-0.8 气体氮碳共较差 渗

九.三种氮化工艺方法综合经济效益比较：

实现 设备繁简生产周期及节生产效劳动条件及对环成工艺名及投资额 能、节材潜力 率 称 境有无污染 本 生产难易 气体渗一般，投资周期长，能耗较低 较好，无污染 较较难 作业连续450 650 950 ≤ 0.3 氮 额不大 较大，节材潜力小 周期较短，比高 离子渗较复杂，投气体渗氮节能较高 氮 资额较大 约1/3 周期较短，部气体氮一般，投资分工件用碳钢较高 碳共渗 额不大 制造，经共渗后代替不锈钢

较好，排气口点燃好，无污染 较较难 高 并先用溶剂萃取较较难 氢氰酸，则不污染低 大气 十.有关离子氮化工艺等请参阅JB/T6956-2007《钢铁件的离子渗氮》

十一.三种工艺渗层组织的特性与应用覆盖的关系：

工渗层深度/μm 化合物层艺 化合扩 名物层 散层 称 气层 渡组织结构 料 工件 过 （δc）的主要性能 主要金属材分典型适合处理的理的部备注 适合处500ε+γ′，ε相耐磨、抗38CrMoAl 镗杆，大以深层渗氮300~7体5~30 以为主，致咬合、抗35CrMo等（重）型为主的抗磨00 渗上 密区＞疲劳 合金构钢;机床损、抗疲劳渗氮 2/3δc 钛合金 （器）主氮法 轴 ε相为主 抗大气及各种结构钢 标准件抗蚀渗氮法 10020~450~10以0 0 上 等 γ′相为主 耐磨、抗25Cr2MoV中载、重主优势在于离500子300~70~30 以渗00 上 氮 等各种合金精密齿或受冲击的结构钢 轮、重载重载荷齿轮曲轴 等工件的表面强化 ε+γ′致密耐磨、抗回火温度＞齿轮、曲 200区＞2/3δc 疲劳为520℃的任轴、丝气15~250~30以体5 氮能 碳共无化合物耐磨，抗W18Cr4V 高速钢W6Mo5Cr4刀具 V2 层或δc＜疲劳 渗 0~2 20~50 >30 2μm且不边续

0 上 抗咬合性载模具 主，兼有何钢铁牌号 杠、非重疲劳 40CrNiMo载高速使中等载荷结构件雨水腐蚀 及金属