请教一下辉光离子渗氮的原理。

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请教一下辉光离子渗氮的原理

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离子渗氮法是由德国人B.Berghaus于1932年发明的。该法是在0.1～10Torr（Torr = 133.3 Pa）的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓红灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离子化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等进行氮化处理。
离子氮化法与以往的靠分解氨气或使用氰化物来进行氮化的方法截然不同，作为一种全新的氮化方法，现已被广泛应用于汽车、机械、精密仪器、挤压成型机、模具等许多领域，而且其应用范围仍在日益扩大。
离子氮化法具有以下一些优点：
①由于离子氮化法不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行氮化处理，所以工作环境十分清洁而无需防止公害的特别设备。因而，离子氮化法也被称作二十一世纪的“绿色”氮化法。
②由于离子氮化法利用了离子化了的气体的溅射作用，因而与以往的氮化处理相比，可显著的缩短处理时间（离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/3～1/5）。
③由于离子氮化法利用辉光放电直接对工件进行加热，也无需特别的加热和保温设备，且可以获得均匀的温度分布，与间接加热方式相比加热效率可提高2倍以上，达到节能效果（能源消耗仅为气体渗氮的40～70％）。
④由于离子氮化是在真空中进行，因而可获得无氧化的加工表面，也不会损害被处理工件的表面光洁度。而且由于是在低温下进行处理，被处理工件的变形量极小，处理后无需再行加工，极适合于成品的处理。
⑤通过调节氮、氢及其他（如碳、氧、硫等）气氛的比例，可自由地调节化合物层的相组成，从而获得预期的机械性能。
⑥离子氮化从380℃起即可进行氮化处理，此外，对钛等特殊材料也可在850℃的高温下进行氮化处理，因而适应范围十分广泛。
⑦由于离子氮化是在低气压下以离子注入的方式进行，因而耗气量极少（仅为气体渗氮的百分之几），可大大降低处理成本。

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离子渗氮层的组织控制
离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求。
    离子渗氮化合物层常遇到的氮化物相有两种：γ′-Fe4N相和ε-Fe2-3N相，离子氮碳共渗(俗称软氮化)还可能出现Fe3C相。γ′单相具有最小的脆性，但耐磨性较差，ε单相脆性也较小，并有较好的耐磨性和抗磨合性能。合金结构钢离子渗氮时一般均得到双相（γ′+ε或ε+γ′）组织，脆性较单相大些，耐磨性较好；离子氮碳共渗得到ε+Fe3C(少量)组织，脆性并不增加，而有最好的耐磨性。
    一、影响化合物层中ε和γ′相含量的因素
    影响离子渗氮化合物层结构的因素很多，有渗氮气氛的影响，钢材成份和组织方面的影响，还有渗氮温度、时间、气压等工艺方面的影响因素。
    （一）渗氮气氛的影响
    离子渗氮气氛中氮和碳的含量是影响化合物层相结构的重要因素。
    （1）气氛含氮量对化合物层相结构的影响
    随着气氛含氮量增加，化合物层中ε相含量增多，白亮层也随之增厚。如40Cr钢用氨气渗氮时，ε相含量相当多，改用分解氨后则大大减少。
    （2）气氛中添加含碳气体将抑制γ′形成，而得到以ε相为主或ε单相结构的化合物层。
    如气氛中加入丙烷（C3H8）后，化合物层中ε含量迅速增多，基本由ε单相组成。含碳量再增多则化合物层中开始出现Fe3C ，含碳量继续增多，则Fe3C增多，ε减少直到完全消失。
    离子渗氮需要严格控制气氛中含碳量，使之能得到ε单相或ε+少量Fe3C的双相组织。这样的组织其硬度和耐磨性均比单纯离子氮化有较大提高。如45钢在含 80%N2的氮氢气氛中570℃渗氮3小时，表面硬度只有575-603HV0.5，加入丙烷气后，当含碳量达到临界值（不出现Fe3C的最大含碳量）时，ε相化合物层的硬度达730-781 HV0.5。
    （二）钢材成分和组织的影响
    随着钢中含碳量及合金元素增加，氮化层中ε相也随之增多。
    基体组织硬度较高者，渗氮层表面硬度也较高，而且化合物层较厚，其中ε相也较多。
    一般来说，调质组织渗氮化合物层中的ε相含量比正火组织少。
    （三）渗氮保温时间的影响
    40Cr钢化合物层厚度在渗氮初期增长较快，保温2-4小时后变化不大。而38CrMoAl钢化合物层厚度则随时间延长而增厚，保温24小时后，这种趋势仍然保持着。
    一般合金结构钢在用分解氨渗氮时，随保温时间延长，ε相减少，γ′相增多，长时间保温后，化合物层基本由γ′相组成。
    （四）渗氮温度的影响
    40Cr钢渗氮时，从500℃升到达560℃，化合物层中ε和γ′均增加，当升到580-600℃时，ε相突然减少，γ′相数量猛增，当温度升到620℃，γ′相数量急剧减少，升到650℃以上则化合物层分解。
    （五）气压的影响
    离子渗氮化合物层的厚度在某一最佳气压下出现最大值，氮化物ε相的含量和气压也有类似的关系。如40Cr钢在530℃渗氮，气压为400Pa时，化合物层中ε相含量最多，而在570℃渗氮，这一气压值为530Pa。
    二、获得各种化合物层组织的工艺方法
    （一）γ′单相化合物层的获得
    γ′相在室温时它的含氮量为5.7-6.1%，相区狭窄，所以γ′单相化合物层比较薄，通常认为可达8um。碳在γ′相中的溶解度不大，室温时最大溶碳能力为0.2%。由此可见，获得γ′相的条件是渗氮表面贫碳和氮含量偏低。所以降低气氛氮势，强化脱碳过程将有利于γ′的获得。
    用以下方法之一，可以获得γ′单相化合物层：
    （1）降低气氛的含碳量
    用含氮25%的氮氢混合气或者热分解氨不容易得到γ′单相化合物层，不论是38CrMoAl还是40Cr钢，甚至碳钢都程度不同地含有ε相，若进一步降低气氛含氮量到10%时，上述几种钢材都能得到γ′单相化合物层。
    （2）降低炉气压力
    低气压、高电压，强化溅射和脱碳作用，有利于化合物层中γ′的形成。40Cr钢和38CrMoAl钢在含氮25%的氮氢气氛中530℃渗氮，当气压为 160Pa时能得到薄薄的γ′单相化合物层，可以在保温前1-3小时内用低气压，而在以后的保温过程中用一般气压渗氮。这样γ′单相层可由1-2um增加到4-5um。提高渗氮温度还能使它进一步增厚。
    （3）预脱碳法
    用热分解氨离子渗氮时，只有工业纯铁容易得到γ′单相化合物层。因此可以设想，如果使材料表面先形成一层脱碳层，随后再渗氮，就可以得到γ′单相化合物层。如40Cr和38CrMoAl试样先用氢气起辉升温，达到530℃后保温1小时，然后改用25%N2-H2或热分解氨继续渗氮，都得到了γ′单相化合物层。
    （4）延长离子渗氮时间
    碳钢、40Cr等材料用分解氨离子渗氮时，随着渗氮时间延长，化合物层中ε相逐渐减少。
    （二）ε单相和ε加少量Fe3C化合物层的获得
    离子氮碳共渗气氛中碳量达到临界值时，就能得到ε单相化合物层。如果超过临界含碳量，则得到ε+Fe3C化合物层。45钢在570-590℃离子氮碳共渗 3小时，气氛的组成与化合物层组织之间的关系。可见，ε相单相区非常狭窄，这就意味着获得ε单相的工艺性较差，气氛配比必须控制得很严格才能做到。否则经常得到的是ε+Fe3C双相化合物层。而形成ε+Fe3C化合物层的气相配比范围却比较宽，生产上容易控制。Fe3C的存在能提高渗氮层的耐磨性，而且少量Fe3C和ε双相化合物层的脆性并不比ε单相差。因此，离子氮碳共渗获得ε+少量Fe3C化合物层是有利而无害的。离子氮碳共渗推荐气氛的配比范围于 570-590℃渗氮3小时，正火45钢表面可以得到15-30um的ε或ε+Fe3C构成的化合物层。气氛含氮量低，含碳量高，化合物层较薄，反之则厚。如果不需要过厚的化合物层，可以把共渗时间缩短至1-2小时。当然，临界含碳量也要作相应调整。
    离子氮碳共渗的温度以570-590℃，时间以2-4小时为宜，气压一般用270-530Pa。
    氮气加丙烷共渗也同样能得到ε相或ε+Fe3C化合物层。渗层表面呈银灰色，虽然不用氢气，但丙烷中含有的氢足以防止表面氧化。这种工艺不需要氢气，便于在生产中应用。
    （三）用酒精和丙酮进行离子软氮化
    目前国内在生产上常用酒精和丙酮进行离子软氮化

jrqshr

可以参考 这本教材 http://www.rclbbs.com/viewthread ... B%D7%D3%B5%AA%BB%AF

whfjin

我人为离子氮化,如果是冷壁炉,温度均匀性不是很好把

whfjin

谁能解释一下,辉光放电与弧光放电?  如何避免弧光放电

jinqu1020

它是在真空容器内设置阳极(炉罩)，阴极(工件)以及由预渗合金元素组成的源极。阳极和阴极之间以及阳极和源极之间设一个可调压直流电源。当真空室内氢气压达到一定值后，调节上述电源，则在阳极和阴极以及阳极和源极之间出现辉光放电，即为双层辉光放电现象。利用源极辉光放电使源极的欲渗元素在离子轰击下被溅射出来，高速飞向阴极(工件)表面，同时利用阳极与阴极间的辉光放电使电能转变为热能使工件加热至高温。由源极溅射出来的粒子被处于高温的工件表面吸附，并借助于扩散进入工件表面, 从而形成欲渗金属的合金层。如上所述，双层辉光离子渗金属的基本原理也可以归纳为: ①待渗金属原子的溅射产生; ②在阴极表面的沉积;  ③向基体内部的扩散; 三个基本过程。