钢的离子氮化处理.
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氮化处理方式比较
一、氮化的机理氮化是将工件放入大量活性氮原子的介质中，在一定温度与压力下，把氮原子渗入钢件表面，形成富氮硬化层的热处理。
二、氮化的作用1、氮化能使零件表面有更高的硬度和耐磨性。
例如用38CrMoAlA钢制作的零件经氮化处理后表面的硬度可达HV=950—1200，相当于HRC=65—72，而且氮化后的高强度和高耐磨性保持到500—600℃，不会发生显著的改变。
2、能提高抗疲劳能力。
由于氮化层内形成了更大的压应力，因此在交变载荷作用下，零件表现出具有更高的疲劳极限和较低的缺口敏感性，氮化后工件的疲劳极限可提高15—35%。
3、提高工件抗腐蚀能力，由于氮化使工件表面形成一层致密的、化学稳定性较高的ε相层，在水蒸气中及碱性溶液中具有高的抗腐蚀性，此种氮化法又简单又经济，可以代替镀锌、发蓝，以及其它化学镀层处理。
此外，有些模具经过氮化，不但可以提高耐磨性和抗腐性，还能减少模具与零件的粘合现象，延长模具的工作寿命。
二、氮化的实现方法1、气体氮化气体氮化是将工件放入一个密封空间内，通入氨气，加热到500-580℃保温几个小时到几十个小时。
氨气在400℃以上将发生如下分解反应：2NH3—→3H2+2[N]，从而炉内就有大量活性氮原子，活性氮原子[N]被钢表面吸收，并向内部扩散，从而形成了氮化层。
以提高硬度和耐磨性的氮化通常渗氮温度为500—520℃。
停留时间取决于渗氮层所需要的厚度，一般以0.01mm/h计算。
因此为获得0.25—0.65mm的厚度，所需要的时间约为20—60h。
提高渗氮温度，虽然可以加速渗氮过程，但会使氮化物聚集、粗化，从而使零件表面层的硬度降低。
对于提高硬度和耐磨性的氮化，在氮化时必须采用含Mo、A、V等元素的合金钢，如38CrMoAlA、38CrMoAA等钢。
这些钢经氮很后，在氮化层中含有各种合金氮化物，如：AlN、CrN、MoN、VN等。
这些氮化物具有很高的硬度和稳定性，并且均匀弥散地分布于钢中，使钢的氮化层具有很高的硬度和耐磨性。
广东离子氮化处理种类
广东离子氮化处理种类
离子氮化是一种表面处理技术，可为金属表面提供良好的耐腐蚀、耐磨损及高温性能，广泛应用于各种工业领域。
在广东，离子氮化处
理可以分为以下几类。
1. 离子氮化钢化处理
离子氮化钢化是将钢材表面在高温、高压的氧气中进行氮化处理，使其表面硬化并提高耐磨损性能的过程。
广东地区的钢铁制造业发达，离子氮化钢化处理也应用广泛。
目前适用于离子氮化钢化处理的钢种
主要有工具钢、模具钢、高速钢等。
2. 离子氮化不锈钢处理
离子氮化不锈钢处理是将不锈钢表面置于含氮气氛中进行离子渗透，使不锈钢表面形成一层厚度很小的硬质氮化层，从而提高其耐磨、耐腐蚀性能。
离子氮化不锈钢处理是应用较广的一种不锈钢表面处理
方式，适用于各种不锈钢材料，包括304、316等不锈钢。
3. 离子氮化铝合金处理
离子氮化铝合金处理是将铝合金表面进行氮化处理，通过氮化层
在表面形成的硬质层来增加铝合金件的抗磨损、耐腐蚀性能和耐高温
性能，提高其使用寿命。
离子氮化铝合金处理主要适用于航空、汽车、机械工业等领域中高强度铝合金的表面处理。
4. 离子氮化钛合金处理
离子氮化钛合金处理也是将钛合金表面进行氮化处理，增加钛合
金件的耐磨、耐腐蚀性能和耐高温性能，提高其使用寿命。
离子氮化
钛合金处理也是应用较广泛的一种表面处理方式，适用于航空、医疗、能源等行业中的钛合金应用。
总之，离子氮化处理技术应用广泛，能为各种金属提供优良的表
面性能，适用于许多工业领域。
在广东，离子氮化处理也已经发展成
为一项成熟的技术，不同行业都有所应用。
离子氮化 广州nitridization
本技术是我阴极下降电压降等离子区工件处理表面炉壁离子Fe + NFe 2N N F NFe 3N N Fe 4N N ε相 γ‘相 αFe电子吸附图2 H13钢试样离子复合处理渗层与普通离子氮化渗层的X 射线衍射曲线对比 2. 离子轰击（氮化）处理工艺特点2.1采用本工艺能够在同一工件上获得基体性能与表面性能的良好配合，渗层表面既硬以韧。
耐磨损的表层紧密结合在基体上。
2.2在处理过的工件表面所的表层质地致密。
强韧性能兼备。
优于诸如气体氮化，气体软氮化或液体软化等常规方法处理的工件。
由图2和图3表明，采用本工艺处理的工件可克服渗层疏松，性脆，硬度强度过大，与基体的结合差等“弊病”。
2.3经本工艺处理的工件能保持良好的表面光洁度，并且能够保持很高和变形量小。
2.4能够处理具有窄缝工作带的铝型材模具，目前，国内离子氮化处理深度窄缝的能力一般在1.5毫米以上，而国外处理挤压模具窄缝的能力可达0.8毫米以上，我院的离子处理窄缝能力已经达到国际先进水平，且本工艺重复性好。
2.5渗层的组织与性能可控制，温度均匀性好。
模具工作带硬度提高幅度大，Hv0.3 1000～1200。
2.6本工艺处理过的H13钢试样的耐靡性能为未处理试样（淬火、另回火状态）的5～38倍，而摩擦力矩仅为未经处理试样的六分之一。
2.7经本工艺处理后，铝型材挤压模具的平均使用寿命可提高3～7倍，同时改善了铝合金型材的表面质量，深受用户好评。
2.8本工艺适合对长轴类工件表面进行离子轰击表面强化处理，诸如，长度为3.3米，厚度4毫米，宽160毫米的淀粉机械刮刀和长轴类部件35CrMo 钢、42CrMo 钢和38CrMoAl 钢制高精度大型瓦楞辊和38CrMoAl 钢制塑料螺杆的表面硬化处理。
经本技术表面强化处理后，可大幅度地提高其硬度和耐磨性能。
特别是直径为300毫米，长度为3米的35CrMo 钢制高精度大型瓦楞辊，运用国内首次采用的吊挂式自由垂直阴极技术进行表面离子强化处理，经处理后，瓦楞辊辊身中高齿顶母线变形量小于0.01毫米，解决了长轴类高温热处理的变形难题。
钢材的表面处理
钢材的表面处理钢铁器件由于加工和贮运等过程而使表面存在铁锈、焊渣、油污、机械污物以及旧漆膜等残余物,为了提高涂层的防锈和防腐蚀能力,表面处理非常重要。
属于表面净化处理方法的有除油、除锈、除旧漆;属于化学处理方法的有磷化、钝化等。
1. 1除油去除金属工件表面的油污,可增强涂料的附着力。
根据油污情况,选用成本低、溶解力强、毒性小且不易燃的溶剂。
常用的有200号石油溶剂油、松节油、三氯乙烯、四氯乙烯、四氯化碳、二氯甲烷、三氯乙烷、三氟三氯乙烷等。
1. 2除锈彻底清除钢材表面的锈垢,以延长涂膜的使用寿命。
不同的钢铁器件表面有不同的除锈标准,它是按照除锈后钢材表面清洁度分级的。
除锈的方法主要有:(1)手工打磨除锈,能除去松动、翘起的氧化皮,疏松的锈及其他污物。
(2)机械除锈,借助于机械冲击力与摩擦作用,使制件表面除锈。
可以用来清除氧化皮、锈层、旧漆层及焊渣等。
其特点是操作简便,比手工除锈效率高。
常用的除锈设备有①钢板除锈机:制件在一对快速转动的金属丝滚筒间通过,靠丝刷与钢材表面的快速摩擦,除去制件板面的锈蚀层;②手提式钢板除锈机:由电动机通过软轴带动钢丝轮与钢材表面摩擦而除锈;③滚筒除锈机:靠滚筒转动使磨料与钢材表面相互冲击、摩擦而除锈。
现在还用喷砂除锈,并且是一种重要的除锈方式。
(3)化学除锈,通常称为酸洗,是以酸溶液促使钢材表面锈层发生化学变化并溶解在酸液中,而达到除锈目的。
常用浸渍、喷射、涂覆3种处理方式。
(4)除锈剂除锈,常用络合除锈剂,既可在酸性条件下进行,也可在碱性条件下进行,前者还适合于除油、磷化等综合表面处理。
钢的表面热处理表面热处理是指为改变工件表面的组织和性能,仅对工件表层进行的热处理工艺.1,表面淬火钢的表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度,迅速冷却,使工件表面得到一定深度的淬硬层,而心部仍保持未淬火状态的组织的热处理工艺.表面淬火的方法很多,目前广泛应用的有感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火等.(1)感应淬火感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热量,使工件表层,局部或整体加热并快速冷却的淬火.1)感应淬火频率的选用在生产中,根据对零件表面有效淬硬层深度的要求,选择合适的频率.①高频感应淬火常用频率为200～300KHz,淬硬层深度为0.5～2mm.主要用于要求淬硬层较薄的中,小模数齿轮和中,小尺寸轴类零件等.②中频感应淬火常用频率为2500～8000Hz,淬硬层深度为2～10mm.主要用于大,中模数齿轮和较大直径轴类零件.③工频感应淬火电流频率为50Hz,淬硬层深度为10～20mm.主要用于大直径零件(如轧辊,火车车轮等)的表面淬火和直径较大钢件的穿透加热.④超高频感应淬火电流频率一般为20～40KHz,它兼有高,中频加热的优点,淬硬层深度略高于高频,而且沿零件轮廓均匀分布.所以,它对用高,中频感应加热难以实现表面淬火的零件有着重要作用,适用于中小模数齿轮,花键轴,链轮等.2)感应淬火加热的特点与普通加热淬火相比,感应加热表面淬火有以下特点:①感应加热速度极快一般只需要几秒至几十秒时间就可以达到淬火温度.②工件表层获得极细小的马氏体组织,使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度(高2～3HRC)和疲劳强度,且脆性较低.③工件表面质量好由于快速加热,工件表面不易氧化,脱碳,且淬火时工件变形小.④生产效率高便于实现机械化,自动化,淬硬层深度也易控制.上述特点使感应加热表面淬火得到广泛应用,但其工艺设备较贵,维修调整困难,不易处理形状复杂的零件.感应淬火最适宜的钢种是中碳钢(如40钢,45钢)和中碳合金钢(如40Cr钢,40MnB钢等),也可用于高碳工具钢,含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等.一般表面淬火前应对工件正火或调质,以保证心部有良好的力学性能,并为表层加热作好组织准备.表面淬火后应进行低温回火,以降低淬火应力和脆性.(2)火焰淬火(见书)2,钢的化学热处理化学热处理是指将工件置于适当的活性介质中加热,保温,使一种或几种元素渗入其表层,以改变化学成分,组织和性能的热处理工艺.化学热处理的基本过程是:活性介质在一定温度下通过化学反应进行分解,形成渗入元素的活性原子;活性原子被工件表面吸收,即活性原子溶入铁的晶格形成固溶体或与钢中某种元素形成化合物;被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散,形成一定深度的渗层.目前常用的化学热处理有:渗碳,渗氮,碳氮共渗等.(1)渗碳所谓渗碳是将工件放入渗碳气氛中,并在900～950℃的温度下加热,保温,以提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳的质量分数梯度的化学热处理工艺.其目的是使工件表面具有高的硬度和耐磨性,而心部仍保持一定强度和较高的韧性.齿轮,活塞销等零件常采用渗碳处理.1)渗碳的方法渗碳所用介质称为渗碳剂,根据渗碳剂的不同,渗碳的方法分为固体渗碳,气体渗碳,真空渗碳和液体渗碳等.2) 渗碳用钢,渗碳后组织及热处理渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢,碳的质量分数一般为0.1%～0.25%.碳的质量分数提高,将降低工件心部的韧性.工件渗碳后其表层碳的质量分数通常为0.85%～1.05%范围.渗碳缓冷后,表层为过共析组织,与其相邻为共析组织,再向里为亚共析组织的过渡层,心部为原低碳钢组织.一般规定,从渗碳工件表面向内至碳的质量分数为规定值处(一般Wc=0.4%)的垂直距离为渗碳层深度.工件的渗碳层深度取决于工件尺寸和工作条件,一般为0.5～2.5mm.工件渗碳后必须进行适当的热处理,即淬火并低温回火,才能达到性能要求.渗碳件的热处理工艺有三种,如图3-35所示.①直接淬火法先将渗碳件自渗碳温度预冷至某一温度(一般为850～880℃),立即淬入水或油中,然后再进行低温回火.预冷是为了减少淬火应力和变形.直接淬火法操作简便,不需重新加热,生产率高,成本低,脱碳倾向小.但由于渗碳温度高,奥氏体晶粒易长大,淬火后马氏体粗大,残留奥氏体也较多,所以工件耐磨性较低,变形较大.此法适用于本质细晶粒钢或受力不大,耐磨性要求不高的零件.②一次淬火法工件渗碳后出炉缓冷,然后再重新加热进行淬火,低温回火.由于工件在重新加热时奥氏体晶粒得到细化,因而可提高钢的力学性能.此法应用比较广泛.③二次淬火法第一次淬火是为了改善心部组织和消除表面网状二次渗碳体,加热温度为Ac3以上30～50℃.第二次淬火是为细化工件表层组织,获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体,( a)直接淬火(b) 一次淬火( c)二次淬火图3-35 渗碳体常用的热处理方法加热温度为Ac1以上30～50℃.二次淬火法工艺复杂,生产周期长,成本高,变形大,只适用于表面耐磨性和心部韧性要求高的零件或本质粗晶粒钢.渗碳件淬火后应进行低温回火(一般150～200℃).直接淬火和一次淬火经低温回火后,表层组织为回火马氏体和少量渗碳体,二次淬火表层组织为回火马氏体和粒状渗碳体.渗碳,淬火回火后的表面硬度均为58～64HRC,耐磨性好,心部组织取决于钢的淬透性,低碳钢一般为铁素体和珠光体,硬度137～183HBS.低碳合金钢一般为回火低碳马氏体,铁素体和托氏体,硬度35～45HRC,并具有较高的强度,韧性和一定的塑性.(2)钢的氮化(渗氮)它是指在一定温度下(一般在Ac1)以下,使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺.其目的是使工件表面获得高硬度,高耐磨性,高疲劳强度和高热硬性和良好耐蚀性,因氮化温度低,变形小,应用广泛.常用的氮化方法有:气体渗氮和离子渗氮.①气体渗氮它是利用氨气在加热时分解产生的活性氮原子渗入工件表面形成氮化层,同时向心部扩散的热处理工艺.常用方法是将工件放人通有氨气的井式渗氮炉中,加热到500～570℃℃左右时,硬度无明显下降,热硬性高.渗氮前零件须经调质处理,以保证心部的强度和韧性.对于形状复杂或精度要求较高的零件,在渗氮前精加工后还要进行消除应力的退火,以减少渗氮时的变形.渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件,以及要求耐热,耐蚀,耐磨的零件,如精密机床的主轴,蜗杆,发动机曲轴,高速精密齿轮等.但由于氮化温度低,所需时间特别长,一般氮化30～60h,才能获得0.2～0.5mm的氮化层,因此限制了它的应用.②离子氮化它是一种较先进的工艺,是指在低真空的容器内,保持氮气的压强为133.32～1333.32Pa,在400～700V的直流电压作用下,迫使电离后的氮离子高速冲击工件(阴极),被工件表面吸收,并逐渐向内部扩散形成渗氮层.离子氮化的特点是:渗氮速度快,时间短(仅为气体渗氮的1/5～1/2);渗碳层质量好,对材料的适应性强.目前离子氮化已广泛应用于机床零件(如主轴,精密丝杠,传动齿轮等),汽车发动机零件(如活塞销,曲轴等)及成型刀模具等.但对形状复杂或截面相差悬殊的零件,渗氮后很难同时达到相同的硬度和渗氮层深度.③碳氮共渗是指在工件表面同时渗入碳和氮,并以渗碳为主的化学热处理工艺.其主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性.常用的是气体碳氮共渗.碳氮共渗后要进行淬火,低温回火.共渗层表面组织为回火马氏体,粒状碳氮化合物和少量残留奥氏体,渗层深度一般为0.3～0.8mm.气体碳氮共渗用钢,大多为低碳或中碳的碳钢,低合金钢及合金钢.。
球墨铸铁曲轴的离子氮化工艺
组织游离的 铁素体不大于５ ％，以便控制变形量 在要求的范围内。 氮化 设备采用Ｐ Ⅱ脉 冲电源等离子体 氮化 Ｎ 炉 ，无需对芯孔 、配重孔 、斜油孔等 进行堵 塞防
护 ，但氮 化 前状 态 很 重要 ，要 求其 洁 净 、 干燥 ，无
锈 ，无残 留 铁 屑 。
４ ０ 型 曲轴 放 外 固 。 因 起 辉 面 积 大 ，相 对 温 度 ｌ５ 高 ，靠 近 炉壁 ，散 热快 ；无 内孔 四缸 曲轴 （ 朝柴 如
电 气柜 控 制 两 台设 备 ，当一 台设 备 保温 结 束 ，立 刻
启动另一台设备 ，既节省了空 间，也提高 了效率 。 设备价格低廉 。 （ ）离子氮化工件表面 质量好 ，易抛光 ，产 ６
能 高 ，温 度 低 ，变形 量 比 气 体氮 化 小 ，工 艺过 程 易
球墨铸铁曲轴的离子氮化工艺
滨 州海得 曲轴有 限责任公 司 （ 山东 ２ ６ ０ ） 李 永真 ５ ６ ０ 滨州 职业学 院 （ 山东 ２ ６ ２ ） 郭婷婷 ５ ６ ４ 赵 向方
曲轴是 内燃 机 中最重要 的零 件之 一 ，它与 气 缸 、活塞、连杆等组成发动机的动力源装置 ，并 由 曲轴向外输 出功率。曲轴工作时承受反复 弯曲和扭
２ ３ 区／ ９ ０ 、 、４ ℃ ３
硬度Ｈ ＲＣ
３ ４ ～ ３ ４ ～ ３ ５ ～ ３ ６ ～ ３ ６ ～ ３ ６ ～
火 脆性 ，因此 在 高温 回火 时 常采 用 快 速风 冷 的 方式
３ ６
３ ６
３ ７
３ ８
３ ８
３ ９
进行冷却。回火工艺为 ：５０ ８ ￣ ７ ～５０Ｃ保温９ ｍｉ ， ０ ｎ 回火硬度３ ～３ Ｈ Ｃ，回火组织是保 留马 氏体位向 ３ ９Ｒ
零件的氮化处理相关知识
氮化处理又称为扩散渗氮。
气体渗氮在1923年左右，由德国人Fry首度研究发展并加以工业化。
由於经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。
例如钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺桿、连桿、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等均有使用。
一、氮化用钢简介传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。
这些元素在渗氮温度中，与初生态的氮原子接触时，就生成安定的氮化物。
尤其是钼元素，不仅作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。
其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。
一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。
其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5％铝的渗氮结果最佳。
在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。
但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。
一般常用的渗氮钢有六种如下：（1）含铝元素的低合金钢（标准渗氮钢）（2）含铬元素的中碳低合金钢 SAE 4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。
（3）热作模具钢（含约5％之铬） SAE H11 （SKD – 61）H12，H13（4）肥粒铁及麻田散铁系不锈钢SAE 400系（5）奥斯田铁系不锈钢 SAE 300系（6）析出硬化型不锈钢 17 - 4PH，17 – 7PH，A – 286等含铝的标准渗氮钢，在氮化后虽可得到很高的硬度及高耐磨的表层，但其硬化层亦很脆。
相反的，含铬的低合金钢硬度较低，但硬化层即比较有韧性，其表面亦有相当的耐磨性及耐束心性。
因此选用材料时，宜注意材料之特徵，充分利用其优点，俾符合零件之功能。
至於工具钢如H11（SKD61）D2（SKD –11），即有高表面硬度及高心部强度。
二、氮化处理技术：调质后的零件，在渗氮处理前须澈底清洗乾净，兹将包括清洗的渗氮工作程序分述如下：（1）渗氮前的零件表面清洗大部分零件，可以使用气体去油法去油后立刻渗氮。
离子氮化硬度和深度
离子氮化硬度和深度离子渗氮作为强化金属表面的一种利用辉光放电现象，将含氮气体电离后产生的氮离子轰击零件表面加热并进行氮化，获得表面渗氮层的离子化学热处理工艺，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。
零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。
如果氧化是在氮化结束后停炉过程中产生的，则仅影响外观质量，对渗层硬度、深度无影响。
1.离子氮化工艺技术的内涵及原理离子氮化是为了提高工件表面耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温等性能，利用等离子辉光放电在离子氮化设备内制备氮化层的一种工艺方法。
离子氮化分三个阶段，第一阶段活性氮原子产生，第二阶段活性氮原子从介质中迁移到工件表面，第三阶段氮原子从工件表面转移到芯部。
其中第一阶段电离和第三阶段扩散机制比较清楚，第二阶段活性氮原子如何从介质中迁移到工件表面的机理尚存争议，普遍认可的是“溅射-沉积”理论。
具体原理为：高能离子轰击工件表面，铁原子脱离基体飞溅出来和空间中的活性氮原子反应形成渗氮铁，渗氮铁分子凝聚后再沉积到工件表面。
渗氮铁在一定的渗氮温度下分解成含氮量更低的氮铁化合物，释放出氮原子，渗氮铁不断形成为一定厚度的渗氮层。
2.离子氮化工艺技术的发展历史（1）1932年德国人B.Berghaus发明。
3.离子氮化工艺技术的优点（1）工件涂层可根据预期性能要求通过调节氮、氢及其他(如碳、氧、硫等)气氛的比例调整实现相组成调节。
（2）制备涂层时间是普通渗氮的三分之一到五分之一，效率高。
（3）制备过程十分清洁而无需防止公害，无需额外加热和检测设备，能够获得均匀的温度分布，能源消耗是气体渗氮的40~70%，节能环保；耗气量极少(仅为气体渗氮的百分之几),可大大减少离子氮化的常见缺陷；适用的材质和温度范围广泛。
（4）工件制备完涂层后可获得无氧化的加工表面，表面光洁度高，变形量小。
4.离子氮化工艺技术的难点（1）空心阴极效应限制了在带小孔、间隙和沟槽零件中的应用（2）边角效应导致导致工件边角部位硬度和其余部位不一致（3）不同结构工件混装时温度的控制和测量存在困难（4）零件表面产生弧光放电（打弧）造成等离子不稳定或高洁净工件表面损伤5.离子氮化工艺技术应用常见问题（1）硬度低。
离子氮化和 PVD 镀层组合处理方式在塑料加工中的应用
离子氮化和PVD 镀层组合处理方式在塑料加工中的应用等离子渗氮及PVD涂层组合工艺在大型零件上的应用如今已实现产业化。
1 简介进行塑料加工时如何避免磨损、腐蚀以及材料堆积问题是关键。
因此，在具体应用中，表层、加工面及模具表面三者之间必须合理匹配。
在等离子渗氮处理后沉积合适的硬质膜是一种有效的方法。
等离子辅助化学热处理层及涂层的组合应用在有效改善产品性能的同时还可降低单位成本。
同时,采用有效方式对应用于塑料加工领域的工具表面进行改性也已经变得越来越普遍。
而成功的关键在于是否对工具及其表面特性有正确的理解。
例如：金属疲劳现象的防止要从最初阶段对材料和相关热处理工艺的选择开始。
而塑料加工应用中机械设备及模具制造状况会直接影响到塑料材料与工具表面的化学反应状况。
2 工艺等离子渗氮是一种十分有效的生成界面膜层的热处理方式。
辉光放电等离子体中氮扩散进入膜层中从而增强工件表面硬度[1]。
工艺过程中待处理工件为阴极，通入氢气及氮气的混合气体，在数百伏特及50-500Pa压力下对阳极施偏压。
阴极势降中，由于基体表面温度高达450 °C以上，氮离子获得加速并撞击基体表面从而氮元素渗入工具内部。
通过这种方式可形成含铁或铬、钼、铝及镁等的氮化物化合层及扩散层。
其表面硬度可达1000 HV甚至更高。
通常工件表面主要为被称之为白层的铁氮化合物。
氮含量可以根据应用需要进行调节甚至完全抑制以便为后续的硬质材料涂层创造更好的表面条件。
生成的扩散层从工件表面至核心几十毫米深度其硬度降低非常平缓。
在工业化沉积硬质膜方面，电弧蒸发工艺因为其简单便捷而占据着非常重要的地位。
工艺过程中，镀层金属因为所产生的电弧在表面边界快速移动而获得蒸发、电离，在工件底盘通负偏压情况下,金属离子加速撞击到工件上。
电弧蒸发工艺单纯采用物理方法使金属蒸发，而不包括任何中介挥发性化合物，因此是一种典型的PVD(物理气相沉积)工艺。
通过添加含氮或含碳气体，可形成氮化物和碳化物金属薄膜。
《离子氮化2Cr13不锈钢变载荷条件下摩擦磨损行为研究》
《离子氮化2Cr13不锈钢变载荷条件下摩擦磨损行为研究》篇一一、引言离子氮化作为一种表面强化技术，在提高金属材料硬度、耐磨性以及耐腐蚀性等方面具有显著效果。
其中，2Cr13不锈钢因其良好的力学性能和耐腐蚀性，在机械制造、汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。
然而，在变载荷条件下，2Cr13不锈钢的摩擦磨损行为仍需进一步研究。
本文旨在探讨离子氮化处理后2Cr13不锈钢在变载荷条件下的摩擦磨损行为，为优化其在实际应用中的性能提供理论依据。
二、材料与方法1. 材料准备选用2Cr13不锈钢作为研究对象，对其进行离子氮化处理。
离子氮化处理能够使2Cr13不锈钢表面形成一层致密的氮化层，从而提高其硬度及耐磨性。
2. 实验方法采用球-盘式摩擦磨损试验机，对离子氮化处理后的2Cr13不锈钢进行摩擦磨损试验。
试验过程中，改变载荷条件，观察并记录材料的摩擦磨损行为。
三、结果与讨论1. 摩擦系数分析在变载荷条件下，离子氮化2Cr13不锈钢的摩擦系数表现出明显的变化。
随着载荷的增加，摩擦系数呈现先上升后稳定的趋势。
这可能是由于在较低载荷下，表面粗糙度对摩擦系数的影响较大；而在较高载荷下，表面硬化层起到了主要作用，使得摩擦系数趋于稳定。
2. 磨损率分析离子氮化2Cr13不锈钢的磨损率在变载荷条件下呈现出一定的规律性。
在较低载荷下，磨损率较高，随着载荷的增加，磨损率逐渐降低。
这表明离子氮化处理能够有效提高2Cr13不锈钢的耐磨性，尤其在较高载荷下表现更为显著。
3. 磨损形貌分析通过扫描电子显微镜（SEM）观察磨损形貌，发现离子氮化处理后的2Cr13不锈钢表面形成了较厚的氮化层，有效抵抗了磨损过程中的剥落和划痕。
在变载荷条件下，氮化层的硬度及韧性得到了充分发挥，使得材料表现出良好的耐磨性。
四、结论本研究表明，离子氮化处理能够显著提高2Cr13不锈钢在变载荷条件下的摩擦磨损性能。
在较低载荷下，表面粗糙度对摩擦系数的影响较大；而在较高载荷下，表面硬化层起到了主要作用，使得摩擦系数趋于稳定，同时降低了磨损率。
离子氮化原理
离子氮化原理离子氮化是一种在高温下将金属表面氮化的工艺，其原理是利用离子轰击金属表面，使金属表面吸附氮离子并发生化学反应，从而形成氮化层。
离子氮化工艺在提高金属表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面具有显著的效果，因此在工业制造领域得到了广泛的应用。
离子氮化原理的核心是离子轰击和化学反应。
首先，通过真空技术将金属样品置于真空室内，然后通入氮气等离子体气体，利用高频电场或直流电场使气体中的氮离子加速并轰击金属表面。
这些氮离子在轰击金属表面时会发生能量转移和碰撞，使金属表面的晶格结构发生改变，从而形成氮化层。
同时，氮离子与金属表面原子发生化学反应，生成金属氮化物，使金属表面硬度大幅提高。
离子氮化原理的实现离不开离子轰击和化学反应两个过程。
离子轰击是指氮离子在高速加速后撞击金属表面，通过能量转移和碰撞使金属表面原子发生位移和变形，从而形成氮化层。
在这个过程中，离子的能量和轰击角度对氮化层的形成起着至关重要的作用。
化学反应是指氮离子与金属表面原子发生化学反应，生成金属氮化物。
这个过程需要在一定的温度和压力条件下进行，同时还受金属表面的清洁度和表面活性影响。
离子氮化原理的实现需要考虑多个因素。
首先是离子轰击的能量和角度，这直接影响着氮化层的厚度和硬度。
其次是化学反应的温度和压力，这决定了化学反应的速率和产物的稳定性。
此外，金属表面的清洁度和表面活性也对离子氮化的效果有着重要的影响，因此在实际操作中需要进行严格的预处理和清洁。
总的来说，离子氮化原理是通过离子轰击和化学反应使金属表面形成氮化层，从而提高金属表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
在实际应用中，需要考虑离子轰击的能量和角度、化学反应的温度和压力，以及金属表面的清洁度和表面活性等因素，才能实现理想的氮化效果。
离子氮化工艺在提高金属材料性能方面具有重要的应用前景，将在未来得到更广泛的应用和发展。
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三.實驗原理1.鋼的氮化處理【1~4】1鋼的氧化處理氮化處理是使氮元素滲入鋼材表面，硬化鋼件表面的方法。
早在1923年即由德國克魯伯兵工廠的A. Fry博士發明了把含有鋁或鉻的合金鋼在無水氨氣中加熱至500~550℃之間保持20~100小時，可在鋼表面形成氮化層，使鋼表面硬化的氨氣氮化法。
隨後，經過不斷的改良與發展，目前已有處理時間較短、溫度較低和適用鋼種更廣泛的氮化法。
現在常用的方法有：氧化處理是使氧元素參入鋼材表面﹐硬化鋼件表面的方法。
早在1923年即由德國泊兵工廠的 A.博士發明了把含的合金鋼在無水氨中加熱之使鋼表面的溫度表情廣之間保持20_100小時﹐可在鋼表嘛形成氧化層﹐使鋼表面硬化的氨畫法﹐隨后﹐經過不斷的改良與發展﹐目前已有處理時間較短﹐溫度較抵河底用鋼種更慣犯的氧化載荷現在常用的方法有﹕（1）硬氮化法：氣體氮化法（氨氣氮化法），液體氮化法（2）硬氧化法﹕氧化化方法(氨氧艷化法)﹐液體氧化法（3）。
（4）軟氮化法：氣體軟氮化法（混合氣體、尿素法），（5）軟氧化法﹕氧體軟艷化法(混合氣體﹐了樣法)。
液體軟氮化法（Tufftride法、Sulinuz法）。
（6）離子氮化法及電漿氮化法等。
（7）離子氧化法及電狡猾化法鄧。
2.離子氮化法【2】2.離子氧化法由於早期應用的氣體氮化法生產週期太長，並在表面形成脆性薄層，容易在使用時剝落，能處理的鋼材有侷限性，使其應用受到很大的限制。
其後，工業上又發展了液體氮化法，具有設備簡單、處理時間短及可氮化的鋼種較多等優點，但所得的硬化層較薄、使用的液體含有劇毒的氰話物鹽類，會產生公害問題。
離子氮化法在很大程度上克服了上述缺點，是對金屬零件進行表面處理的新技術，其目的乃為提高金屬零件的表面硬度、耐磨耗性、耐疲勞性和抗腐蝕性。
使用的液體含有劇毒的氰話物體類﹐會產生公害問題。
離子氧化法在很大程度上克增里上樣缺點﹐是對金屬零件進行表面處理的新技朮﹐其目是微提高盡速零件的表嘛硬度﹐那那霸為﹐勞性荷抗副食性。
此法於1932年起源於德國，由Bernhard Berghaus首先在低壓的氮氣和氨氣的混合氣體中，利用輝光放電發明輝光離子氮化法。
由於當時尚未掌握大電流的電源供應技術而未能實際應用於工業上。
於1967年德國Klockner Ionon公司的Oppel和Endenhofer 發表工業化成功後，此法開始風行。
此法與1932年起源于德國﹐有BERNHARD BERGHAUS 首先在低壓的荷氨煙袋氧體中﹐利用輝光放電發明輝光離子氧化法。
由于當時尚未中掌握大電流的電源而未能史記應用與工葉上。
與1967年德國KLOCHENER公司的OPPELENG FER 發表工業化成功后此法開始風行。
工業用離子氮化設備如圖2之概略圖，將工件放置於氮化爐內，預先將爐內抽成0.01~0.001 Torr的壓力後，導入氮氣或氮和氫的混合氣體，使爐內氣壓達1~10 Torr，此時爐體接陽極，工件接陰級，兩級間施以數百至數千伏特之直流電壓，使爐內氣體產生離子放電而進行氮化處理。
氮氣和氫氣之分壓比及處理溫度應視處理工件之材質、所需表層組織等情況作適當之調整。
溫度可用熱電偶或紅外線溫度計測定，由調整放電電壓而把溫度控制在氮化溫度範圍。
工業用離子氧化設備如涂2只開痧﹐將工件放置與氧化盧所﹐預先巨人抽成工業0.01-0.01TORR的壓力后﹐到拉詎虎產赫赫荷慶氣體﹐椒拉里氣壓低110TORR,表陳的澄清虧進行適當肢體煤正﹐溫度可用熱電有或紅外線溫度于今測定﹐有調整電壓而把溫度控制在氧化溫度范圍離子氮化法和其他氮化法比較時，有下列的主要特徵：不排放廢氣或污水，不發生公害。
（1）氮化時間短，又能做較低溫度的處理。
(1) 氧化時間短﹐又能做較低溫度的處理。
（2）利用輝光放電加熱，無須外加的加熱裝置。
(2) 利用輝光放電加熱﹐無須外加的加熱裝置。
（3）只有工件被加熱節省能源，不需設定昇溫時間，也不需保溫設備(3)利用工件倍加扔接生能源﹐不需流下渥升溫進﹐也不需保溫社。
（4）不要氮化的部位只要用軟鋼板覆蓋即可，不需鍍覆。
（5）（6）容易控制表面化合層的氮化物組織。
（7）氮化所消耗的氣體少，較經濟。
（8）沒有火災和爆炸的危險。
（9）可氮化不銹鋼和鈦等其他氮化法不易處理的材料。
（10）為了確保輝光放電，工件的放置密度有限，難做大量的處理。
3.鋼之離子氮化離子氮化向工件滲入的氮元素，不像氣體氮化是由氨氣分解而產生的活性氮原子，是被電場加速的電子碰撞含氮氣體的分子或原子而形成的離子，在工件表面富集形成的強活性氮原子。
鋼離子氮化的機構如圖3所示，爐內電漿與工件產生如下的交互作用：（1）氣氛中的氮原子被電離成氮離子與電子，此時，帶正電的氮離子向工件（負極）移動而帶負電的電子向爐壁（正極）移動。
（2）向爐壁移動的電子群會從電場中穫得足夠能量來與中性氣體原子碰撞，使氣體原子被離子化成離子和電子，或被激發而成激發原子。
當激發原子返回基態而釋出能量時，部份能量化為可見光覆蓋在負極（工件）表面，形成一層悅目的紫紅色輝光，如圖3（b）所示。
（3）氮離子群移動至離工件表面數mm處的陰極電位降區時（圖3（a）），由於電壓的急速下降所伴生的高電場強度所賦予的能量而被加速，因而以極高的速度轟擊工件，此時的氮離子引起兩種主要作用；（a）使工件因被碰撞而加熱。
（b）將工件表面的Fe、C和O等原子撞出並產生二次電子；被敲離表面的Fe與因離子放電而生成的氮原子或氮離子結合為FeN後，因吸附作用而回到工件表面，二次電子則在向正極遷移時又與氣氛中的分子或原子碰撞，產生新的氮和氫離子，使放電程序繼續進行，如圖3（c）所示。
（4）吸附在工件的FeN在溫度上昇及離子不斷轟擊下，逐漸不安定而分解放出氮原子而成為含氮較低的化合物Fe2N、Fe3N或Fe4N等，放出的活性氮原子一部份從表面向工件內部擴散形成擴散層；一部份重回到電漿中再與不斷被轟擊出來的Fe結合成為FeN，如圖3（d）所示。
如此反覆進行，使工件達到離子氮化的目的，而其氮化深度及顯微組織就依處理的溫度及時間來控制。
反應氣體除了氮氣之外，常再添加適量的氫氣，因氫氧有下述的幾個作用：（1）因離子化成為氫離子，亦會轟擊工件表面而幫忙加熱工件。
（2）可將工件表面的氧化物和碳化物等雜質還原，使表面保持在活化狀態而有助於氮的擴散效果。
（3）能夠使工件表層產生脫碳作用，促進氮的向內擴散。
（4）利用氫氣調節氮氣濃度，以穫得欲求的表層相結構；氮比例小時，表面易生成Fe4N相，而氮比例大時，則易生Fe3N相。
綜合相關文獻及上面圖3的說明，可將鐵系金屬的離子氮化機構分成如圖4所示的四個步驟：（1）離子的濺射與佈植，（2）氮化鐵的沉積與氮原子的吸附，（3）氮化鐵的分解與擴散，（4）反應與氮化物的成長。
四.實驗方法與步驟1.將研磨拋光後的試片泡在丙酮內，以超音波清洗器振盪3~5分鐘後，以鑷子取出試片，新鮮丙酮沖洗，吹風機吹乾。
2.把洗淨的試片迅速放入爐內，以免在空氣中暴露過久而遭受汙染或生成氧化物。
3.試片置放在工件架上應有適當距離，亦應確保試片及爐腔之乾淨，故工作人員應戴塑膠手套以免沾污試片、工件架或爐體。
4.確定試片已牢靠的置放於工件架後，關閉爐門，開始抽真空。
5.爐內真空度達10-2~10-3Torr後，導入氮氣和氫氣，利用氣體流量計調好氮與氫比例流量，在真空幫浦繼續運轉中將爐內壓力調至2 Torr。
6.啟動DC Power Supply的電源，打開冷卻風扇並確認運轉。
7.慢慢增加電壓（上升太快會產生電弧），同時利用紅外線幅射溫度計觀測爐內溫度，接著將爐內壓力升至所需壓力。
8.依試片材質設定溫度，通常在450~570℃，利用電壓及電流來控制。
9.等爐溫穩定後開始計處理時間，通常是1~10小時。
10.達到所需時間後，將DC Power Supply的電壓緩慢降至0，關閉直流電源。
11.關閉氮氣，待冷卻至室溫後，再關閉氫氣，因為氫氣在冷卻過程中有保護氣體的功能，可避免氮化後的試片被氧化。
12.確定旋緊氮化爐下方的Bellow Valve後，再關閉真空幫浦，以避免油氣回流污染了爐艙及試片。
13.打開洩氣閥，待氮化爐恢復長壓後，打開艙門取出試片，關閉冷卻風扇。
14.將離子氮化後試片之橫斷面研磨、拋光及腐蝕後，進行微硬度量測和金相觀察：（1）利用維克式硬度計，先量測試片表面硬度後，再自試片表面向內部每隔0.05 mm量測一次Hv硬度值。
（2）利用光學顯微鏡攝取氮化層、擴散層及心部的金相組織。
五.實驗結果1.繪製試片離子氮化後之硬度分佈曲線，並量取硬度大於Hv500的硬化深度。
2.分析金相組織照片，辨認化合物層（氮化層）及擴散層組織。
六.問題與討論1.鋼的氮化法有那些？離子氮化法有那些特性？2.試片表面的化合物層，主要的氮化物有那些？如何利用離子氮化的處理條件來控制表面生長的相？3.比較金相組織和硬度分佈曲線，並討論氮化層及擴散層與硬度和硬化深度之間的關係。
七.補充資料1.離子氮化處理時應注意事項：（1）離子氮化的實驗時間較長，使用的流量計、壓力表、真空計及電壓表等，應在實驗進行中定時檢查，遇有變動須立即調整。
（2）實驗進行中若有重大意外發生（尤其是有火發產生）時，第一優先步驟是：馬上關閉氫氣瓶之開闢。
（3）應保持室內空氣流動並絕對盡止火源接近，氫氣為爆炸性危險氣體。
（4）開機中絕對避免觸碰高壓導入端子，以免觸電。
2.試片研磨、拋光及硬度量測時應注意事項：（1）為避免化合物層在研磨或拋光時剝落或表面形成弧形面，應使用兩片銅片夾住氮化層，如圖5所示。
（2）表面硬度之量測若平行化合物層實施，則易崩落，使測定值誤差大，故常以從表面垂直化合物層實施而得。
八.參考文獻1.陳克昌，”鋼的氮化處理”，經濟部專業人員研究中心工程材料與熱處理研究班講義（編號83PIT23-05），台灣糖業股份有限公司訓練中心，1994。
2.陳克昌、莊國章，”鈦金屬及其合金之離子氮化”，表面工業雜誌，第53期，第28~40頁。
3.黃振賢，金屬熱處理，文京圖書公司，1985，第187~202頁。
4.金重勳，熱處理，復文書局，1986，第184~191頁。
5.莊國章、黃文澔、林嘉彥，”離子氮化系統操作手冊說明”，逢甲大學材料科學系表面工程與薄膜實驗室，1995年編寫，2001年修正。
圖1 離子氮化系統示意圖【5】圖2 工業用離子氮化設備概圖【5】(a)壓電極陰..件工理處圖3 習知的鐵系金屬離子氮化機構示意圖。
(a)電位在兩極之間的分佈情形；(b)輝光的分佈情形；(c)電將中的活性物種與基材之間的交互作用；(d)FeN的吸附與分解【5】圖4 修正後之鐵系金屬離子氮化機構示意圖【5】。