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什么是離子滲氮?什么是離子滲氮爐?離子滲氮爐有什么用途?

責任編輯:未知 發布時間:2019-12-04 ?點擊數: ?

什么是離子滲氮?

離子滲氮是一種可以提高鋼鐵零件表面耐磨損、疲勞、腐蝕、抗高溫氧化和提高工件壽命的金屬表面強化工藝。它是將待處理的工件放在真空容器中,并充以133~1333Pa低壓的含氮氣體,以工件作為陰極,真空容器的壁罩作為陽極或在容器內另設金屬陽極,在陰陽極之間加上數百伏直流電壓,兩極間的稀薄氣體被電離,從而產生輝光放電的工藝過程。當輝光被點燃后,由于容器中的氣體被電離,正離子向作為陰極的工件運動,電子將飛向陽極,這樣陰陽極問就有連續的電流通過,氮和氫的離子在高壓電場的作用下,以很大的能量轟擊工件表面,產生大量的熱量把工件加熱到所需要的溫度,同時氮的正離子在工件表面產生復合,化學反應和吸附、擴散的物理化學反應,較快的形成了高硬度的氮化層及多元素的化學層。

 

低壓稀薄氣體中,有時會發生自激導電(自持放電),而且放電時會顯示輝光,這種現象我們稱之為輝光放電。輝光放電不依靠外界作用,在電場作用下能自己維持導電狀態,因此是一種自持放電。輝光放電特征是電流強度較?。s幾毫安),溫度不高,故電管內有特殊的亮區和暗區,呈現瑰麗的發光現象。主要應用于氖穩壓管、氦氖激光器等器件的制造。

用于完成這種工件表面強化工藝的專用設備稱之為離子滲氮爐。

輝光放電是什么意思?

 

輝光放電(glow discharge)是指低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現象,即是稀薄氣體中的自持放電(自激導電)現象。由法拉第*個發現。它包括亞正常輝光和反常輝光兩個過渡階段。輝光放電主要應用于氖穩壓管、氦氖激光器等器件的制造。

       

什么是離子滲氮爐?離子滲氮爐有什么用途?

離子氮化爐是在真空容器中使含氮稀薄氣體在直流電場中電離,正離子轟擊金 屬零件表面形成氮化層,以達到表面硬化的設備。

為了保證離子滲氮的質量,通常要求離子滲氮真空爐有:良好的氣密性,以適應爐內要達到133~1333Pa真空度的要求;良好的絕緣性,在陰陽極之間有500~1000伏的直流電壓時,保證陰極引線穿過爐體時與爐體絕緣;由于爐體的密封絕緣材料耐熱溫度較低,一般只有60~90℃,而滲氮時爐溫為500~600℃,因此真空爐體要有良好的隔熱性。在已有的技術中,典型的為通用式離子滲氮爐。

 

洛陽西格馬高溫電爐生產的離子氮化爐采用外輔助加熱式爐體結構,與水冷式爐體相比,外輔助加熱式離子氮化爐保溫式爐體有以下的優點:

       1爐內溫度分區控制、均勻性好;

       2.輔助加熱升溫,降低輝光轟擊強度,工件均勻性好;

       3.保溫式外輔助加熱,能耗少,節電23.5%;

       4.升溫快、無打弧、對工件清洗要求不高。

       爐體結構是選擇離子滲氮設備的重要考慮因素,通過多家方案對比,能選擇適合自己產品的設備。

 

離子滲氮爐結構有哪些?

離子滲氮設備爐體結構主要分為:雙層水冷式(冷壁式)和輔助加熱式(熱壁式)兩類。離子滲氮爐主要由爐蓋、圓形爐筒、平板爐底座、通用爐體的底部與陰極盤之間的明極輸電裝置、真空系統、供氣系統和供電系統構成。

輝光離子氮化爐屬于氮化爐技術領域。輝光離子氮化是指利用輝光放電現象使工件表面滲入氮原子的熱處理方法。

輝光離子氮化與氣體氮化相比具有氮化時間快、氮化層脆性小、節約氨氣用量等優點,但實際生產中也存在著一些經常出現且不容易解決的問題。

離子滲氮爐工藝參數應注意什么?

離子滲氮技術被廣泛用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等,是一種作用于金屬表面的化學熱處理技術。在離子滲氮過程中,有五大工藝參數需要嚴格控制,分別是氣體組分、滲氮溫度、氣體總壓力(也稱真空度)、電流、電壓和滲氮時間。

(一)氣體組分

目前常用于離子滲氮的介質有氨氣、熱分解氨、N2+H2等三種,在此基礎上,再加入少量乙醇、丙酮、二氧化碳、甲烷等作為碳的來源,即可實現離子軟氮化工藝。氨氣價格低廉、來源廣泛、使用方便,已經成為使用較廣泛的離子滲氮介質。但是使用氨氣存在以下缺點:氮勢不易控制,因此直接用氨氣進行離子氮化(或軟氮化)無法控制滲層組織。并且滲層存在一定得脆性。N2+H2的混合氣也在實踐中廣泛應用:H2作為稀釋氣體加入,可以大大降低滲氮反應的活化能,氫氣還起到還原零件表面氧化物的作用,以獲得活性的表面,降低了對設備漏氣率的要求,通過控制滲氮氣氛的氮勢,容易控制滲氮層的組織。

(二)滲氮溫度

滲氮溫度是離子滲氮極為重要的工藝參數,生產上通常使用的滲氮溫度范圍為450-650℃。滲氮溫度低對結構鋼而言能得到較高的滲層硬度、保持較高的心部強度、減少工件變形,但滲層較淺;580℃以上溫度的離子滲氮一般只用于高合金不銹鋼和含鈦、釩的快速氮化鋼,為了提高滲速、縮短生產周期,這類材料采用較高的氮化溫度。

(三)氣體總壓力

離子滲氮時,氣體壓力(真空度)影響輝光放電特性,氣壓高時,輝光收縮集中;氣壓低時,輝光漫散。離子滲氮的工作氣壓范圍一般為100-1200Pa,生產中常用的氣壓范圍是200-600Pa

(四)電參數(電流、電壓)

離子滲氮時電壓和電流密度的大小主要取決于滲氮溫度、氣壓、陰陽極距離等。

電壓直接決定著陰極濺射強度,兩極間電壓越高,離子能量越大,陰極濺射越強烈。因此,電壓對化合物層相結構,零件尺寸的膨脹量產生一定得影響。

實驗表明,輝光電流密度在0.5-20mA/cm2范圍內改變時對滲層的硬度和深度沒有明顯的影響。

(五)滲氮時間

滲氮時間的長短主要根據工件材料及工件所要求的滲層深度和滲氮溫度而定,短則幾分鐘,長則幾十小時。一般認為,擴散層深度與時間服從拋物線關系?;衔锏暮穸扰c時間的關系分為兩段,氮化初期,兩者間成直線關系,而后兩者間呈拋物線關系。離子滲氮初期氮的滲入速度較快,所以滲層深度要求0.2-0.3mm以下的零件,離子滲氮保溫時間只需6-12小時,因此,單純從經濟角度看,這一滲層深度是較為合理的。

國內哪家離子氮化爐做得好?

 離子氮化爐系列產有低溫離子氮化爐、高溫離子氮化爐、大型離子氮化爐、真空離子氮化爐、井式離子氮化爐、鈦合金離子氮化爐、全自動等離子氮化爐。

 

輝光離子氮化零件常見問題處理方法:

1.輝光離子氮化零件沿角處、孔口處、齒頂角處等會出現不均勻的黑帶

原因:因為輝光離子氮化爐不具備獨立的可任意調控的第二熱源或輔助熱源,全靠離子轟擊加熱,為了達到氮化工藝溫度,需用強輝光,脈沖占空比往往在0.7以上、趨向直流,導致尖角、空芯陰極等效應較強,在沿角處和孔口位溫度較高產生脫碳,而爐內較大溫差和氣氛分布的不均勻,使得黑帶有差別。

解決措施:采用離子氮化爐中加入第二熱源及其技術,運用中熱中輝(輝光強度中等)或強熱弱輝,能有效地抑制尖角和空芯陰極效應,而且把爐內上下里外溫度調控在±5℃以內,基本解決了氮化件這些部位的脫碳問題。

 

2.輝光離子氮化零件圓角處、接合部等會出現軟帶

原因:因為輝光離子氮化爐全靠強輝光加熱而達到氮化工藝溫度,在圓角處和接合部的輝光重疊起到屏蔽作用,致使產生軟帶;而輝光越強軟帶越明顯。

解決措施:采用離子氮化爐中加入第二熱源及其技術,就能運用中高強度的輔助熱源與中低強度的輝光能把屏蔽減弱到很小,幾乎不產生軟帶。

 

3.輝光離子氮化不銹鋼閥零件經離子氮化后反而易生銹

原因:對于316L或雙向不銹鋼等閥件或球體做離子氮化,需要強輝才能達到氮化溫度,而在420℃以上隨著輝光越強離子轟擊濺散越大,致使材料表面鉻碳的散失,這樣,反而易被腐蝕。

解決措施:采用離子氮化爐中加入第二熱源及其技術,在氮化工藝溫度時爐內溫差≤±5℃的條件下,以較強的輔助熱源和中弱的輝光強度進行工藝生產,就能避免不銹鋼閥件表層脫鉻問題。但是,要注意把握好在≤400℃過程中先用中強輝光消除不銹鋼表面鈍化膜。而后再開啟輔助熱源同時逐步降低輝光強度。

 

4.輝光離子氮化大而重的模具很難升到氮化工藝溫度

原因:這是因為輝光離子氮化爐完全依靠強輝光轟擊工件而產生的熱量加熱工件,而離子加熱與工件表面積密切相關,也與大模具表面積與重量比較懸殊相關,當有限的加熱能量與爐子的散熱損失達到平衡時,爐內溫度升不上去是必然現象,除非提高設備限定電壓等性能參數和加強爐子的保溫性能或增加陰極板片等輔助設施。

解決措施:采用離子氮化爐中加入第二熱源及其技術,離子氮化不再受表面積與重量比懸殊工件的限制,通過對第二熱源電源功率的不同配置,不僅能保證**使用溫度650℃時爐內溫差≤±5℃,還能保證**使用溫度950℃時爐內溫差≤±5℃。

 

5.輝光離子氮化爐對鈦材零件的氮化處理效果不佳

原因:輝光離子氮化爐調控爐內溫差功能缺失,在輝光**電壓1000V的條件下升溫到600℃以上很困難,而鈦材零件要形成TiN,氮化工藝溫度應該在650℃以上,并且爐內溫差越小越好。

現在,有些企業在輝光離子氮化爐里運用空心陰極效應做小件鈦材零件的氮化處理,不但應用成本高,而且穩定化生產難,很難達到期望的效果。

解決措施:采用離子氮化爐中加入第二熱源及其技術,就能夠很好的滿足鈦材零部件氮化處理的溫度以及均勻性要求,并在實際加工中取得了較好的效果。

 

6.離子氮化后的零件會變形超差

原因:零件經離子氮化后出現的變形超差問題,應綜合分析解決。首先,要看材料及毛坯成形的預處理,即去應力退火是否符合規范要求,還要看在機加工后的機加應力是否退火處理,再則是手段和工藝即等離子氮化設備是否滿足生產要求和工藝是否成熟。

就普通輝光離子氮化爐而言,因需要較強的輝光加熱與滲氮,其零部件不同幾何形狀處的溫度是不一樣的,其散熱狀況也是不一樣的,會產生熱應力變形;而且與零部件的安放、工裝的設計有關,與爐內缺乏調控溫手段密切相關。

解決措施:采用離子氮化爐中加入第二熱源及其技術,由于其具備第二熱源系統,能有效地調控爐內上、下、里、外溫度,使氮化爐內溫度的均勻性與普通輝光離子氮化爐相比有較大的提高,這也是采用第二熱源或輔助加熱的**根本的原因。溫度均勻性的提高,同一個零件的不同部位的溫差就會大幅縮小,也就會把熱應力產生的變形控制在微小的程度。

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