1 前言离子轰击化学热处理是近二、三十年发展起来的一个新兴领域 ,离子氮化是其中应用最广泛的一种。从离子氮化开始 ,现已发展到渗碳、碳氮共渗、渗硅、多元共渗 ,这些均属于表面改性的手段。这些手段在不久的将来 ,会在机械表面工程上得到更加广泛地应用。2 离子辉光原理及特点2 1 气体辉光放电在物理学中有这样一种试验装置 ,在玻璃管中封入 2个极板 ,抽真空使管内气体压强降低到1 33～ 133Pa ,然后在两电极上加上电压。当电压增加到某一值时 ,管内呈现出美丽的发光现象。这就是气体的辉光放电。气体辉光放电的实质就是气体在特定的场合下发生的一种导电现象。2 2 辉光放电的伏安特性曲线测量气体放电时电压与电流的关系得到图 1所示的伏安特性曲线。图 1 伏安特性曲线Fig 1 V -Acharacteristiccurve逐渐增加电源电压 ,电流微微增加到达A点 ,再增加电压至B点 ,电流不变。再提高电压 ,电流又开始轻微地增加。当电压到达C点 ,电流陡增 ,阴极部分表面出现辉光。此时阴阳极间电位即刻降至D点。增大电流 ,阴极表面覆盖辉光的表面面积增加 ,但电压不变 ,直到E点辉光覆盖整个阴极表面 ,也即图中的DE段。到E点后 ,继续提高电压至F点 ,这时电流增加电压也随之升高 ,辉光亮度增加 ,等离子处理通常处在异常辉光区。从F点再增加电流 ,其结果电流急剧增加 ,而电压迅速下降 ,可使辉光熄灭 ,局部地方产生强烈弧光 ,温度高达2 5 35～ 2 5 6 5℃ ,对等离子处理要绝对避免强大的电流 ,因为它可使阴、阳极烧坏或工件烧伤报废。2 3 气体辉光放电时阴阳极间形成几个发光区气体分子或原子 (甚至离子 )在受到外来高能粒子的撞击时 ,可能出现 2种现象 :(1)电离 即气体分子或原子 (甚至离子 )系统内失去一个电子 ,系统带正电荷 ,称为气体的电离。(2 )受激 即高能粒子使原子核内层轨道上运动的电子跃迁到能量较高的外层轨道上运动 ,处在不稳定状态 ,因此 ,外层轨道上运动的电子会自动返回到原来轨道上去 ,即处于稳定状态。在这过程中 ,多余的能量便以光波的形式辐射出来 ,这就是见到的辉光。由于每种气体原子的能级不同 ,辐射出来的光波波长不同 ,因此 ,辉光的颜色也不同。如 :氢是淡蓝色 ,氮是紫红色 ,离子氮化用的氨是紫蓝色。3 离子轰击化学热处理及离子渗氮原理离子轰击炉是把气体辉光放电的试验装置变为工业生产所需的设备 ,离子渗氮就是其中的一例。它是利用辉光放电形成等离子体在金属表面进行渗氮处理。离子轰击处理过程大致分为以下几部分 :(1)利用辅助加热源的热辐射加热工件 ,使工件上的油脂及其他挥发性物质汽化后被真空泵排出炉外 ,这一步只针对带辅助加热双热源离子氮化炉。(2 )离子清洁。借助离子轰击 ,将工件表面上的油脂及脏污物质轰击出工件表面 ,使工件表面清洁。(3)活化表面。利用渗剂中分解的氢或净氢 ,在直流电场中电离成正离子 ,并轰击工件表面夺取工件表面氧化膜中的氧 ,从而达到活化金属表面。(4 )离子或分子离子在活化的金属表面凝聚 ,发生电化学反应 ,即吸收电子变成活性原子或分子离子吸收电子降价析出活性原子渗入金属基体。由于离子或分子离子轰击能量较大 ,使渗入活性原子进入 4～ 5层原子厚度内。(5 )离子轰击能量非常大 ,有人对离子轰击阴极能量做过实验 ,电压在 80 0V时离子能量相当于 5 2 0℃气体氮化时铁表面氮原子能量的 30 0 0倍。这样大能量的离子冲击工件表面 ,不仅引起阴极溅射 ,而且使表面形成深度约 0 .0 5mm的位错层。这一薄层位错的形成 ,给氮扩散提供通道 ,从而加速了扩散。4 离子氮化设备的组成离子氮化设备由供电和操作控制的电气系统、真空炉体、气体动态平衡的供气和抽气系统三大部分组成。电气系统大都采用三相半控 2组桥串联副边调压的可控硅整流电路 ,输出 0～ 10 0 0V连续可调的直流电源。系统中设置有可靠的灭弧装置、控温装置、安全保护装置 ,以保证离子渗氮过程的供电、测温及控制。真空炉体由顶盖、炉体和底板组成。供气和抽气系统是既对立又统一的 2个单元 ,供气系统由氨瓶、减压阀、氨分解器、稳压罐、流量计、混合器等组成 ,保证供应工艺需要的气体。抽气单元由机械真空泵、真空检测仪表、真空电磁阀等器件组成 ,保证工艺需要的真空度。同时根据工艺的要求 ,分别控制供气和抽气以保证气流的平衡。电气系统输出的直流电压是近似平稳或有波动的直流电。在工作升温和打散弧清洗阶段 ,辉光放电负载的等效阻抗变化急剧 ,频繁产生辉光—弧光转变 ,负载近似短路 ,阴阳极间电压从几百伏、近千伏的高压电压骤然降到几十伏 ,电流急剧增大。为了保护直流控制柜里的控制元件不被击穿 ,在控制柜外增加一组电阻很大的限流电阻以消耗短路时的超负荷大电流。频繁的短路 ,对工作电源破坏很大 ,经常发生故障。这类氮化炉 ,在调整工艺参数时 ,十分烦琐 ,稍有不慎 ,工件表面就会出现肉眼可看得见的烧弧斑 ,工作时耗能高 ,这种工作电源国际上已淘汰。继 2 0世纪 80年代法、德、俄等国研制成功脉冲电源后 ,国内正逐步推广使用脉冲电源式离子氮化炉。脉冲电源的核心是特殊的直流斩波器。所谓脉冲电源 ,是指提供的电压、电流是具有一定周期的近似方波的脉冲 ,工作频率固定 ,而脉冲宽度可调。根据不同工件 ,可适当调整脉冲宽度 ,以达到清洗工件及保护工件表面的作用。脉冲电源能可靠、迅速地灭弧 ,起到保护作用。脉冲电源所用的斩波器经历了由高频逆阻晶闸管和可关断晶闸管GTO到双极型晶体管IGBT的几个阶段。目前 ,国内使用的IG BT脉冲电源 ,技术性能比较高 ,应用范围比较广泛。5 离子渗氮的特点及应用离子渗氮与目前工厂使用的气体渗氮相比 ,具有显著的优点。(1)渗氮速度快 ,离子渗氮可以大大缩短渗氮时间 ,特别是浅层渗氮时更为突出 ,例如渗氮层深度在0 .3～ 0 .5mm时 ,离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的 1/3～ 1/5。(2 )渗氮层组织易控制 ,脆性小。(3)无公害热处理 ,气体渗氮、盐浴渗氮均有污染问题 ,采用氨气进行离子渗氮。由于压力很低 ,6 6 .5～ 1330Pa ,使用量极少 ,也不会产生公害及爆炸问题。(4 )节约能源、气源。离子渗氮时 ,由于采用辉光放电加热工件 ,电能利用率高 ,同时离子渗氮速度快 ,周期短 ,节约能源。另外 ,离子氮化是在 6 6 .5～798Pa低气压下进行的 ,因此 ,耗气量极少 ,仅为气体渗氮的百分之一。(5 )变形小。由于离子渗氮可以在更低的温度下进行 ,真空加热、真空冷却可以控制加热和冷却速度 ,使之均匀 ,所以 ,变形量比气体渗氮要小。离子渗氮具有如此多的优点 ,已广泛应用在机车制造、交通运输机械、动力机械、轻工机械和医疗器械等方面的中小负荷、精度高 ,渗氮后很少留磨量或不留磨量。而且对那些耐疲劳、耐磨损的零件 ,取得了良好的效果。总之 ,等离子体热处理技术的研制成功 ,把表面热处理技术提高到一个崭新的阶段 ,对提高产品质量 ,节约原材料、节约能源 ,降低劳动强度 ,提高效率 ,减少环境污染等都有着重要的意义离子氮化技术及应用@马贵成$张家口煤矿机械有限公司!河北 张家口075025离子辉光原理;;离子氮化;;特点;;应用借鉴了国内外有关离子氮化技术 方面的知识,结合对离子氮化的认识,重点说明了离子氮化的起源及原理,离子氮化的特点及在机 械等各个领域中的应用,其中还对离子氮化设备的组成做了介绍,并提出了脉冲电源在这一技术中的优势<1>王志平,董无岸,王玉杰.热处理工
.北京:机械工业出版社,1990.
<2>胡光立,谢希文.钢的热处理.西安:西北工业大学出版社,1993.的直流斩波器。所谓脉冲电源 ,是指提供的电压、电流是具有一定周期的近似方波的脉冲 ,工作频率固定 ,而脉冲宽度可调。根据不同工件 ,可适当调整脉冲宽度 ,以达到清洗工件及保护工件表面的作用。脉冲电源能可靠、迅速地灭弧 ,起到保护作用。脉冲电源所用的斩波器经历了由高频逆阻晶闸管和可关断晶闸管GTO到双极型晶体管IGBT的几个阶段。目前 ,国内使用的IG BT脉冲电源 ,技术性能比较高 ,应用范围比较广泛。5 离子渗氮的特点及应用离子渗氮与目前工厂使用的气体渗氮相比 ,具有显著的优点。(1)渗氮速度快 ,离子渗氮可以大大缩短渗氮时间 ,特别是浅层渗氮时更为突出 ,例如渗氮层深度在0 .3～ 0 .5mm时 ,离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的 1/3～ 1/5。(2 )渗氮层组织易控制 ,脆性小。(3)无公害热处理 ,气体渗氮、盐浴渗氮均有污染问题 ,采用氨气进行离子渗氮。由于压力很低 ,6 6 .5～ 1330Pa ,使用量极少 ,也不会产生公害及爆炸问题。(4 )节约能源、气源。离子渗氮时 ,由于采用辉光放电加热工件 ,电能利用率高 ,同时离子渗氮速度快 ,周期短 ,节约能源。另外 ,离子氮化是在 6 6 .5～798Pa低气压下进行的 ,因此 ,耗气量极少 ,仅为气体渗氮的百分之一。(5 )变形小。由于离子渗氮可以在更低的温度下进行 ,真空加热、真空冷却可以控制加热和冷却速度 ,使之均匀 ,所以 ,变形量比气体渗氮要小。离子渗氮具有如此多的优点 ,已广泛应用在机车制造、交通运输机械、动力机械、轻工机械和医疗器械等方面的中小负荷、精度高 ,渗氮后很少留磨量或不留磨量。而且对那些耐疲劳、耐磨损的零件 ,取得了良好的效果。总之 ,等离子体热处理技术的研制成功 ,把表面热处理技术提高到一个崭新的阶段 ,对提高产品质量 ,节约原材料
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