活性屏離子滲氮—一種新興離子滲氮技術(shù)

  依靠輝光放電的離子滲氮技術(shù)自上世紀(jì)70 年代以來已獲得廣泛應(yīng)用,但離子滲氮過程中工件的打弧和空心陰極效應(yīng)影響滲氮質(zhì)量以致?lián)p壞處理工件表面,是必須予以克服的一個(gè)技術(shù)問題。對(duì)離子滲氮機(jī)理的研究認(rèn)為,N2的中性原子態(tài)和震動(dòng)的分子態(tài)是在輝光放電滲氮過程中主要的反應(yīng)微粒,這意味著滲氮時(shí)沒有必要將工件處于幾百伏甚至上千伏的陰極電位。由此提出活性屏滲氮技術(shù)的思路。

  活性屏離子滲氮技術(shù)(Active Screen Plasma Nitriding,ASPN)是近幾年在歐洲出現(xiàn)的一種新型離子滲氮技術(shù),它不僅解決了傳統(tǒng)直流離子滲氮技術(shù)工件打弧、空心陰極效應(yīng)、溫度測(cè)量困難、大小工件不能混裝和對(duì)操作人員要求高等一些技術(shù)難題,而且可以獲得和直流離子滲氮一樣好的滲氮效果。

  在活性屏離子滲氮過程中,是將直流負(fù)高壓接在鐵制的籠子上,被處理工件罩在籠子中間,處于電懸浮狀態(tài)或接負(fù)偏壓。在離子的轟擊作用下,籠子被加熱,同時(shí)濺射下來一些納米顆粒沉積在工件的表面進(jìn)行滲氮。因此,在活性屏離子滲氮過程中,籠子同時(shí)起到加熱工件和提供滲氮載體的兩個(gè)作用。

  設(shè)備的關(guān)鍵部件是活性金屬屏,即上面所說的籠子,脈沖或直流電源的電流直接加于活性屏上,其產(chǎn)生的熱依靠輻射均勻加熱滲氮處理工件,同時(shí)由噴口噴入的氣體產(chǎn)生等離子體,工件進(jìn)行滲氮時(shí)活性屏被等離子體包圍,等離子體按精心設(shè)計(jì)的流動(dòng)方向均勻平緩地與處理工件接觸,實(shí)現(xiàn)均勻的滲氮。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn),從活性屏上濺射下來的納米粒子在向工件表面的輸運(yùn)過程中,粒子表面物理吸附了大量的活性氮原子,這些粒子沉積在被處理的工件表面后,物理吸附的氮發(fā)生解析,脫附下來的活性氮原子向鋼基體內(nèi)部擴(kuò)散形成了滲氮層。

  滲氮操作主要步驟如下:(1) 去除污銹的工件裝入工件支架平臺(tái),密封爐體; (2) 啟動(dòng)真空泵使?fàn)t體內(nèi)壓降至20μbar; (3) 提供活性屏電流; (4) 爐內(nèi)溫度均勻一致達(dá)到300 ~ 600 ℃(對(duì)特殊合金,滲氮溫度可設(shè)定高達(dá)800℃); (5) 由氮和中性氣體組成的混合氣通過噴口進(jìn)入活性屏外圍并產(chǎn)生高離子化的離子、電子和其它活性的、具有能量的中性氣相粒子,對(duì)工件進(jìn)行滲氮; (6) 活性屏產(chǎn)生的等離子體流動(dòng),使處理工件不斷沉浸于活性氣相粒子中。

  在歐洲,許多大的熱處理廠都購(gòu)置了活性屏離子滲氮設(shè)備,使用效果良好,大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。在日本,這種活性屏滲氮爐的直徑達(dá)到1000 mm,高度為1200 mm,最大的處理加載量達(dá)到2000 kg(含夾具) ,處理后可導(dǎo)入80 kPa 氮?dú)膺M(jìn)行強(qiáng)制冷卻。采用常用的離子滲氮?dú)夥? 30% N2 + 70% H2)可獲得γ' + 擴(kuò)散層基體組織; 增加N2量和甲烷可獲得ε相層; 還可通入丙烷、氫的硫化物、碳的氟化物等形成氮-碳化物、氧氮-碳化合物和硫-氮淬硬滲層。目前這項(xiàng)新技術(shù)在我國(guó)尚屬空白,需要急起直追。