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什么是离子渗氮?什么是离子渗氮炉?离子渗氮炉有什么用途?

责任编辑:未知 发布时间:2019-12-04  点击数:  

什么是离子渗氮?

离子渗氮是一种可以提高钢铁零件表面耐磨损、疲劳、腐蚀、抗高温氧化和提高工件寿命的金属表面强化工艺。它是将待处理的工件放在真空容器中,并充以133~1333Pa低压的含氮气体,以工件作为阴极,真空容器的壁罩作为阳极或在容器内另设金属阳极,在阴阳极之间加上数百伏直流电压,两极间的稀薄气体被电离,从而产生辉光放电的工艺过程。当辉光被点燃后,由于容器中的气体被电离,正离子向作为阴极的工件运动,电子将飞向阳极,这样阴阳极问就有连续的电流通过,氮和氢的离子在高压电场的作用下,以很大的能量轰击工件表面,产生大量的热量把工件加热到所需要的温度,同时氮的正离子在工件表面产生复合,化学反应和吸附、扩散的物理化学反应,较快的形成了高硬度的氮化层及多元素的化学层。

 

低压稀薄气体中,有时会发生自激导电(自持放电),而且放电时会显示辉光,这种现象我们称之为辉光放电。辉光放电不依靠外界作用,在电场作用下能自己维持导电状态,因此是一种自持放电。辉光放电特征是电流强度较小(约几毫安),温度不高,故电管内有特殊的亮区和暗区,呈现瑰丽的发光现象。主要应用于氖稳压管、氦氖激光器等器件的制造。

用于完成这种工件表面强化工艺的专用设备称之为离子渗氮炉。

辉光放电是什么意思?

 

辉光放电(glow discharge)是指低压气体中显示辉光的气体放电现象,即是稀薄气体中的自持放电(自激导电)现象。由法拉第*个发现。它包括亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段。辉光放电主要应用于氖稳压管、氦氖激光器等器件的制造。

       

什么是离子渗氮炉?离子渗氮炉有什么用途?

离子氮化炉是在真空容器中使含氮稀薄气体在直流电场中电离,正离子轰击金 属零件表面形成氮化层,以达到表面硬化的设备。

为了保证离子渗氮的质量,通常要求离子渗氮真空炉有:良好的气密性,以适应炉内要达到133~1333Pa真空度的要求;良好的绝缘性,在阴阳极之间有500~1000伏的直流电压时,保证阴极引线穿过炉体时与炉体绝缘;由于炉体的密封绝缘材料耐热温度较低,一般只有60~90℃,而渗氮时炉温为500~600℃,因此真空炉体要有良好的隔热性。在已有的技术中,典型的为通用式离子渗氮炉。

 

洛阳西格马高温电炉生产的离子氮化炉采用外辅助加热式炉体结构,与水冷式炉体相比,外辅助加热式离子氮化炉保温式炉体有以下的优点:

       1炉内温度分区控制、均匀性好;

       2.辅助加热升温,降低辉光轰击强度,工件均匀性好;

       3.保温式外辅助加热,能耗少,节电23.5%;

       4.升温快、无打弧、对工件清洗要求不高。

       炉体结构是选择离子渗氮设备的重要考虑因素,通过多家方案对比,能选择适合自己产品的设备。

 

离子渗氮炉结构有哪些?

离子渗氮设备炉体结构主要分为:双层水冷式(冷壁式)和辅助加热式(热壁式)两类。离子渗氮炉主要由炉盖、圆形炉筒、平板炉底座、通用炉体的底部与阴极盘之间的明极输电装置、真空系统、供气系统和供电系统构成。

辉光离子氮化炉属于氮化炉技术领域。辉光离子氮化是指利用辉光放电现象使工件表面渗入氮原子的热处理方法。

辉光离子氮化与气体氮化相比具有氮化时间快、氮化层脆性小、节约氨气用量等优点,但实际生产中也存在着一些经常出现且不容易解决的问题。

离子渗氮炉工艺参数应注意什么?

离子渗氮技术被广泛用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等,是一种作用于金属表面的化学热处理技术。在离子渗氮过程中,有五大工艺参数需要严格控制,分别是气体组分、渗氮温度、气体总压力(也称真空度)、电流、电压和渗氮时间。

(一)气体组分

目前常用于离子渗氮的介质有氨气、热分解氨、N2+H2等三种,在此基础上,再加入少量乙醇、丙酮、二氧化碳、甲烷等作为碳的来源,即可实现离子软氮化工艺。氨气价格低廉、来源广泛、使用方便,已经成为使用较广泛的离子渗氮介质。但是使用氨气存在以下缺点:氮势不易控制,因此直接用氨气进行离子氮化(或软氮化)无法控制渗层组织。并且渗层存在一定得脆性。N2+H2的混合气也在实践中广泛应用:H2作为稀释气体加入,可以大大降低渗氮反应的活化能,氢气还起到还原零件表面氧化物的作用,以获得活性的表面,降低了对设备漏气率的要求,通过控制渗氮气氛的氮势,容易控制渗氮层的组织。

(二)渗氮温度

渗氮温度是离子渗氮极为重要的工艺参数,生产上通常使用的渗氮温度范围为450-650℃。渗氮温度低对结构钢而言能得到较高的渗层硬度、保持较高的心部强度、减少工件变形,但渗层较浅;580℃以上温度的离子渗氮一般只用于高合金不锈钢和含钛、钒的快速氮化钢,为了提高渗速、缩短生产周期,这类材料采用较高的氮化温度。

(三)气体总压力

离子渗氮时,气体压力(真空度)影响辉光放电特性,气压高时,辉光收缩集中;气压低时,辉光漫散。离子渗氮的工作气压范围一般为100-1200Pa,生产中常用的气压范围是200-600Pa

(四)电参数(电流、电压)

离子渗氮时电压和电流密度的大小主要取决于渗氮温度、气压、阴阳极距离等。

电压直接决定着阴极溅射强度,两极间电压越高,离子能量越大,阴极溅射越强烈。因此,电压对化合物层相结构,零件尺寸的膨胀量产生一定得影响。

实验表明,辉光电流密度在0.5-20mA/cm2范围内改变时对渗层的硬度和深度没有明显的影响。

(五)渗氮时间

渗氮时间的长短主要根据工件材料及工件所要求的渗层深度和渗氮温度而定,短则几分钟,长则几十小时。一般认为,扩散层深度与时间服从抛物线关系。化合物的厚度与时间的关系分为两段,氮化初期,两者间成直线关系,而后两者间呈抛物线关系。离子渗氮初期氮的渗入速度较快,所以渗层深度要求0.2-0.3mm以下的零件,离子渗氮保温时间只需6-12小时,因此,单纯从经济角度看,这一渗层深度是较为合理的。

国内哪家离子氮化炉做得好?

 离子氮化炉系列产有低温离子氮化炉、高温离子氮化炉、大型离子氮化炉、真空离子氮化炉、井式离子氮化炉、钛合金离子氮化炉、全自动等离子氮化炉。

 

辉光离子氮化零件常见问题处理方法:

1.辉光离子氮化零件沿角处、孔口处、齿顶角处等会出现不均匀的黑带

原因:因为辉光离子氮化炉不具备独立的可任意调控的第二热源或辅助热源,全靠离子轰击加热,为了达到氮化工艺温度,需用强辉光,脉冲占空比往往在0.7以上、趋向直流,导致尖角、空芯阴极等效应较强,在沿角处和孔口位温度较高产生脱碳,而炉内较大温差和气氛分布的不均匀,使得黑带有差别。

解决措施:采用离子氮化炉中加入第二热源及其技术,运用中热中辉(辉光强度中等)或强热弱辉,能有效地抑制尖角和空芯阴极效应,而且把炉内上下里外温度调控在±5℃以内,基本解决了氮化件这些部位的脱碳问题。

 

2.辉光离子氮化零件圆角处、接合部等会出现软带

原因:因为辉光离子氮化炉全靠强辉光加热而达到氮化工艺温度,在圆角处和接合部的辉光重叠起到屏蔽作用,致使产生软带;而辉光越强软带越明显。

解决措施:采用离子氮化炉中加入第二热源及其技术,就能运用中高强度的辅助热源与中低强度的辉光能把屏蔽减弱到很小,几乎不产生软带。

 

3.辉光离子氮化不锈钢阀零件经离子氮化后反而易生锈

原因:对于316L或双向不锈钢等阀件或球体做离子氮化,需要强辉才能达到氮化温度,而在420℃以上随着辉光越强离子轰击溅散越大,致使材料表面铬碳的散失,这样,反而易被腐蚀。

解决措施:采用离子氮化炉中加入第二热源及其技术,在氮化工艺温度时炉内温差≤±5℃的条件下,以较强的辅助热源和中弱的辉光强度进行工艺生产,就能避免不锈钢阀件表层脱铬问题。但是,要注意把握好在≤400℃过程中先用中强辉光消除不锈钢表面钝化膜。而后再开启辅助热源同时逐步降低辉光强度。

 

4.辉光离子氮化大而重的模具很难升到氮化工艺温度

原因:这是因为辉光离子氮化炉完全依靠强辉光轰击工件而产生的热量加热工件,而离子加热与工件表面积密切相关,也与大模具表面积与重量比较悬殊相关,当有限的加热能量与炉子的散热损失达到平衡时,炉内温度升不上去是必然现象,除非提高设备限定电压等性能参数和加强炉子的保温性能或增加阴极板片等辅助设施。

解决措施:采用离子氮化炉中加入第二热源及其技术,离子氮化不再受表面积与重量比悬殊工件的限制,通过对第二热源电源功率的不同配置,不仅能保证**使用温度650℃时炉内温差≤±5℃,还能保证**使用温度950℃时炉内温差≤±5℃。

 

5.辉光离子氮化炉对钛材零件的氮化处理效果不佳

原因:辉光离子氮化炉调控炉内温差功能缺失,在辉光**电压1000V的条件下升温到600℃以上很困难,而钛材零件要形成TiN,氮化工艺温度应该在650℃以上,并且炉内温差越小越好。

现在,有些企业在辉光离子氮化炉里运用空心阴极效应做小件钛材零件的氮化处理,不但应用成本高,而且稳定化生产难,很难达到期望的效果。

解决措施:采用离子氮化炉中加入第二热源及其技术,就能够很好的满足钛材零部件氮化处理的温度以及均匀性要求,并在实际加工中取得了较好的效果。

 

6.离子氮化后的零件会变形超差

原因:零件经离子氮化后出现的变形超差问题,应综合分析解决。首先,要看材料及毛坯成形的预处理,即去应力退火是否符合规范要求,还要看在机加工后的机加应力是否退火处理,再则是手段和工艺即等离子氮化设备是否满足生产要求和工艺是否成熟。

就普通辉光离子氮化炉而言,因需要较强的辉光加热与渗氮,其零部件不同几何形状处的温度是不一样的,其散热状况也是不一样的,会产生热应力变形;而且与零部件的安放、工装的设计有关,与炉内缺乏调控温手段密切相关。

解决措施:采用离子氮化炉中加入第二热源及其技术,由于其具备第二热源系统,能有效地调控炉内上、下、里、外温度,使氮化炉内温度的均匀性与普通辉光离子氮化炉相比有较大的提高,这也是采用第二热源或辅助加热的**根本的原因。温度均匀性的提高,同一个零件的不同部位的温差就会大幅缩小,也就会把热应力产生的变形控制在微小的程度。

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