滲氮（又稱氮化）是將氮滲入鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性能等性能的一種化學(xué)熱處理方法。
常見的滲氮方式根據(jù)滲氮介質(zhì)不同分為液體滲氮、氣體滲氮和離子滲氮。其中，離子滲氮以其能耗低、變形小和環(huán)保等優(yōu)點越來越多地應(yīng)用到工模具、航空航天、船舶、石油和汽車等領(lǐng)域。
離子氮化的基本過程是活化氣相、濺射、吸附、沉積和擴散。在輝光放電時，氮的正離子在電場能的作用下獲得速度，對被處理的零件表面行程轟擊濺射。在等離子輝光放電中鐵原子與處在不同激發(fā)態(tài)的氮化合形成氮化物，氮化物以層狀均勻地吸附在陰極表面上（即被處理的 零件表面）。在離子轟擊下被分解成含氮較低的氮化鐵和含氮的固溶體。在低氮化物分解時得到的氮，活性很大。它在表層中向內(nèi)逐步擴散，生成內(nèi)部的氮化物區(qū)，完成滲氮。
離子氮化的處理效果主要受電壓、電流、頻率、氣壓、溫度、時間、氣氛比例參數(shù)影響。我們接下來一一介紹一下這幾個參數(shù)對離子氮化處理效果的影響。 電壓：離子氮化想要持續(xù)產(chǎn)生輝光形成滲氮需要給定一個超過引燃電壓的電壓值，引燃電壓的大小受氣壓、氣氛、陰陽極距離影響，常見離子氮化電壓的使用范圍為400-600V。 電流：根據(jù)離子氮化爐的大小與裝爐多少，離子氮化的總電流大小不同，但是要想滲氮效果好，離子氮化過程中的電流密度值（即單位面積內(nèi)的電流）需要足夠大，一般零件的電流密度需要達到6A/m2才能獲得好的氮化效果，形狀復(fù)雜的零件還需要達到8 A/m2以上。 頻率：由于脈沖電源的巨大優(yōu)勢，離子氮化電源早在1983年就已經(jīng)進入了脈沖電源時代。但是大家對于脈沖頻率的選擇不盡相同。一般來說，脈沖頻率的常用范圍是1-8 KHz，即每個周期的時間在125-1000μs。脈沖頻率過高與過低都會對離子氮化過程產(chǎn)生不好的影響，頻率過低時，容易產(chǎn)生零件局部溫度過高、表面過熱燒傷等問題，而頻率過高又會影響電源功率的輸出效率，都不利于離子氮化過程。目前進口的離子氮化電源都已經(jīng)使用變頻式電源，工藝人員可以根據(jù)需求選擇適合的脈沖頻率。 氣壓：氣體壓力會影響產(chǎn)品表面輝光層的分布，由此會影響滲氮效果的均勻性。一般使用的氣體壓力范圍是100-400Pa，對于形狀復(fù)雜的零件，會用到600Pa以上的氣體壓力。 溫度：氮化溫度是影響離子氮化效果的最重要因素，所以離子氮化爐的溫度均勻性是離子氮化設(shè)備的最重要指標(biāo)。溫度越高滲速越快，同時每種材料都有一個最高硬度溫度點，高于或低于這個溫度點，氮化后表面硬度都會下降。離子氮化的氮化溫度可以在400-900℃的范圍內(nèi)選擇，不過常見鋼材的離子氮化溫度范圍是510-540℃，離子氮碳共滲的溫度范圍是550-580℃，鈦合金的離子氮化溫度為800-900℃。 時間：氮化的時間會根據(jù)氮化層深度要求進行選擇，一般零件要求滲氮層深度為0.1-0.5mm，所以滲氮時間會在2-48h之間進行選擇。 氣氛比例：離子氮化常用氣體是氮氣、氫氣、甲烷、氬氣，每種氣體都有自己的作用，比如氮氣提供氮源，氫氣主要起活化、還原、調(diào)整氮勢的作用，甲烷為氮碳共滲提供碳原子來源，氬氣可以提高轟擊強度、壓縮輝光的作用。另外調(diào)整氣氛的配比還可以達到控制化合物層結(jié)構(gòu)的作用，以獲得單相白亮層或者形成無化合物層的滲氮組織。 相對于氣體氮化，離子氮化主要具有以下幾個方面的優(yōu)勢： 1 離子氮化滲氮速度快，尤其淺層滲氮更為突出； 2 滲氮的氮、氫等氣氛可調(diào)整控制，可獲得5 μm~20 μm的脆性較小的ε相單相層或約為8 pm厚的韌性Υ相單相層，也可獲得韌性更好的無化合物的滲氮層； 3 離子氮化可使用氮氣氫氣替代氨氣，壓力很低，用量極少，無環(huán)境污染； 4 離子氮化轟擊抵消一部分尺寸增長，變形更?。?/p> 5 易實現(xiàn)局部滲氮(不需滲層部分可采用簡單機械屏蔽)； 6 離子氮化溫度可在低于450 ℃以下進行，工件畸變?。?/p> 7 可用于不銹鋼、鈦合金、鋁合金等有色金屬的滲氮。由于存在離子濺射與氫離子還原作用，工件表面鈍化膜在離子氮化過程中可清除； 8 離子氮化滲氮后的組織更容易控制，尤其在化合物層疏松、脆性控制方面； 離子滲氮以其變形小、節(jié)能省氣、綠色環(huán)保、低溫滲氮等優(yōu)點在工模具、航空航天、船舶、石油和汽車等領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。下一期我們會為大家介紹一下離子氮化設(shè)備的組成與發(fā)展。
