离子渗氮的工艺过程

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离子渗氮的工艺过程主要包括渗氮前的预先热处理、工件清洗、装炉、打弧升温、保温、冷却降温及出炉等几个过程。以下逐一叙述。

一、渗氮前的预先热处理

为了保证渗氮零件心部具有必要的力学性能（也称机械性能），消除加工过程中的内应力，减少渗氮变形，为获得良好的渗氮层组织性能提供必要的原始组织，并为机械加工提供条件，零件渗氮前必须进行不同的预先热处理。

1.氮化工艺参数对预先热处理工艺的要求

预先热处理中最后一道工序的加热温度至少要比渗氮温度高10℃（一般高20~40℃）。否则，零件在氮化过程中其心部组织及力学性能将发生变化，零件的变形量将无法控制。

2.常用的预先热处理工艺

常用的预先热处理工艺有调质、淬火+回火、正火及退火。

调质是结构钢常用的预先热处理工艺，调质的回火温度至少要比渗氮温度高10℃（一般高20~40℃）。回火温度越高，工件硬度越低，基体组织中的碳化物弥散度愈小，渗氮时氮原子易渗入，渗氮层厚度也愈厚，但渗层硬度也愈低。因此，回火温度应根据对基体性能和渗层性能的要求综合确定。调质后理想的组织是细

小均匀分布的索氏体组织，不允许存在粗大的索氏体组织，也不允许有较多的游离铁素体存在。

调质引起的脱碳对渗层脆性和硬度影响很大，所以调质前的工件应留有足够的加工余量，以保证机械加工时能将脱碳层全部切除。对渗氮后要求变形很小的工件，在精加工前（如精磨）还应进行一次或多次稳定化处理，处理温度应低于调质温度而高于渗氮温度。

调质后，若工件的硬度或金相组织不合格，允许返工。

工、模具钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火处理。

不锈钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火，目的是为了消除加工应力和改善组织。对硬度要求不高的工件可采用退火处理。奥氏体不锈钢通常采用固溶处理。

正火预先热处理只适用于对心部强度和韧性要求不高的渗氮件，正火时冷却速度不宜过慢。尺寸较大的零件不宜采用正火处理，因正火时过慢的冷却速度会产生粗大组织，渗氮后表面硬度低且不均匀。正火后不合格的工件允许返工。

球铁的预先热处理多采用正火处理。

退火处理在钛合金中运用较多，结构钢中极少采用退火处理。38CrMoAl钢不允许采用退火处理，否则渗层组织结构中易出现针壮氮化物。

对于经过变形（如冲压、锻造、机加工等）的零件，应进行去应力退火处理，以减小渗氮变形。

还需要说明的是，细小的原始组织比粗大的原始组织渗氮后有更高的表面硬度及良好的硬度梯度，因此，正火时冷却速度不易过慢，调质时回火温度不应过高，保温时间不应太长。截面尺寸大的零件不易用正火态，而应调质处理。

总之，采用何种预先热处理工艺，应依据工件的使用性能综合确定。

二、工件的清洗

离子渗氮对工件的清洗要求比气体渗氮更加严格，既要清洗掉工件表面的油污、锈斑、油漆和画线遗留的紫色涂料，又要清除掉工件小孔、焊接件的空腔内及组合件的结合面上残存的油类等易挥发物，否则，随工件温度的升高，在挥发物蒸汽逸出处，将引起持续不断的电弧。集中不断的电弧将给操作人员的操作带来困难，并将延长升温过程，进而延长整个工艺周期，在挥发物蒸汽逸出处如果产生强烈的电弧还可能导致该部位局部烧熔。因此，清洗的目的是为了尽量减少打弧，避免打大弧，避免因强烈的弧光放电而损伤工件，使渗氮过程得以顺利进行。

常用的清洗剂是汽油和工业清洗剂。

汽油洗涤适用于零星渗氮件和大型工件，汽油清洗的特点是去污迅速彻底，使用方便。当需要大批量清洗时，汽油清洗的效率太低，操作者的劳动条件较差，而且新汽油和使用过的汽油均存在安全存放和安全使用问题。

而工业洗涤剂则适合于清洗大批量的中小件，既适用于手工清洗，也适用于机器清洗。清洗剂一般需加热后使用，清洗后的工件需要漂洗干净，并及时烘干，以免生锈。因上述原因，清洗剂不适用于小批量零件的清洗。

无论使用何种清洗剂清洗，清洗后的工件均须等工件表面蒸发干燥后方可装炉。清洗过程中还应一并除去工件上的锈斑、飞边毛刺及孔内的铁削，尽量避免将棉纱粘在工件上。

三、工件的局部防护

气体渗氮的局部防护常常仅限于非渗氮部位的防渗，而离子渗氮的局部防护概念则大为扩展，以下几种情况下均需考虑局部的防护问题：

1、工件上容易产生辉光集中而又可以不渗氮的部位需要屏蔽。如工件上的小孔和窄缝沟槽。

2、不要求渗氮的部位或渗氮后还需要加工（磨削除外）而要求较软的部位。

3、为了减少变形，把渗氮局限在必需渗氮的部位。

4、工件上易形成应力集中的部位渗氮时应进行防护。

5、因不锈钢渗氮后耐蚀性大幅下降。因此，不锈钢工件上要求耐蚀性而不要求提高耐磨性的部位需要防护。

局部防渗一般采用机械屏蔽方法，在不需要渗氮的地方插入、旋入、套上或盖上形状和尺寸合适的钢件，也可以利用工件不需要渗氮的表面相互接触屏蔽。屏蔽物和被屏蔽物处并不要求紧密配合，但应保证屏蔽边缘缝隙不大于0.5mm（此距离内放电辉光不能进入缝隙）。屏蔽物与工件处于同一电位，因此，屏蔽物也会起辉。屏蔽物可用普通碳钢制作，并可反复使用。

四、合理装炉

与气体渗氮炉不同，离子渗氮炉中的温度场是一个相对不均匀的温度场，但这并不意味着离子渗氮炉中工件的温度就一定不均匀。这里面牵涉到一个如何装炉的问题。不同的炉型，不同的零件结构，不同的装炉量，装炉方式均不相同，有时为了保证温度的均匀，还需设辅助阴极或辅助阳极。总之，合理的装炉方式需要根据生产实践和经验的积累来确定。

装炉量一般根据炉子功率和渗氮零件（包括工夹具）起辉表面积确定。单位面积加热功率在0.5~3W/cm2范围内，取决于加热温度、零件结构、炉子结构和装炉量等因素。对于同样的零件，装炉量越大，达到同一渗氮温度所需的功率密度越小。因此，从提高生产率和节能的角度出发，在炉子功率、容积和操作允许的条件下，增大装炉量是合理的。

此外热损失越小的炉子，功率密度越小。

在生产实践中，往往还需随炉放置一定数量的试样。如果试样的温度与工件不一致，试样的渗层不能代表工件的渗层，那么，试样的放置是毫无意义的。离子渗氮对试样及其安放位置均有较高要求，试样的形状尺寸最好和工件相似，或者表面积或重量和工件相似，且试样的安放位置应尽可能反映整炉渗氮零件的处理状态。这些要求在生产实际中往往很难做到。因此，对于大批量小件的渗氮，可考虑直接检验实物，对大件和小批量零件则需根据实践经验合理制作和安放试样。

五、抽真空和打弧

零件装炉完毕后即可罩上炉罩，开启真空泵抽真空，待真空度抽至50Pa以上后，即可通电起辉。零件起辉后有一打散弧清理阶段。根据零件清洗的干净程度和零件装炉量的多少，打弧时间由几分钟至几小时不等。

打弧阶段的气压、电压、电流等参数的正确调节极为重要。调节得好可以减少打弧时间。调节的方法主要是选用合适的电流密度。电流密度过大，打弧现象严重，甚至由于打弧使工件表面辉光熄灭。电流密度过小，则辉光清洁工件表面的作用缓慢，使打弧时间延长。采用低气压、高电压可以加强阴极溅射，缩短打弧时间。

操作者应能正确地判断各种不同的打弧情况，这对维持正常生产是非常必要的。当打弧点没有固定位置，在工件表面上不断变换位置时，打弧将逐次减少直至停止打弧，电流电压随之升高，这种现象是打弧阶段的正常情况，打弧是由于刚起辉时零件表面的非导电物引起的，这种打弧有进一步清洁工件表面的作用。孔、沟槽中机油挥发引起的打弧，其特点是：当零件升温至200~400℃时，弧点集中在出油孔洞、沟槽四周，打弧断续相间，这种打弧，不需要停炉。可以适当减少电压、气压，使打弧电流减小，油挥发干净之后，打弧自然停止。小缝或小孔引起的打弧，一般是集中在小缝或小孔处，连续打弧不间断。当减少氨气流量，降低气压，辉光厚度加厚时打弧停止。当气压超过某一定值后又引起严重打弧，遇到这种情况，首先要判断使小缝或小孔不断打弧的最高气压所决定的最大电流能否维持工件升温、保温的需要。若能维持、则渗氮处理还能勉强继续进行，若维持不打弧的电流太小，不能升温，就必须看清打弧源的位置，停泵吊起炉罩，消除引起打弧的根源，再重新抽真空升温。

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