离子渗氮-离子渗氮的工艺参数

2018-11-22 10:55 作者:管理员8 来源:未知 浏览: 字号:
2.3离子渗氮的工艺参数
 
    离子渗氮的主要工艺参数包括气体成分、处理温度和保温时间。其他的参数包括工作压力、工作电压以及电流密度等。它们对扩散层和化合物层的影响分别讨论如下。
 
    (1)温度和时间的影响
 
    温度和时间是影响离子渗氮组织和性能的两个主要因素。其影响规律和气体渗氮基本相同:即扩散层的深度随处理温度增加而显著增加;随时间延长按抛物线关系增长,开始增长很快,后来增长趋势减缓。增加温度和延长处理时间使更多的氮渗人金属表面从而使渗层的硬度提高。但温度过高或保温时间过长时,渗氮层组织粗化反而使渗层的硬度下降。尽管这时总渗层可能很厚,但有效渗层深度并不大。化合物层表面晶粒的长大以及缺陷的增多也使得渗氮工件的表面硬度在较高温度渗氮后有所下降。
 
    温度和时间对化合物层组织和性能的影响如下:当渗氮时间短或温度低时,化合物层由y和。两种氮化物组成。随温度的升高和时间的延长,。相的含量逐渐下降。当时间足够长或温度足够高时,化合物层仅由丫组成。提高温度或延长时间也使化合物层的厚度增加。但是与气体渗氮不同的是,离子渗氮化合物层厚度总体上比较薄,一般不超过15um。这主要归结于离子渗氮过程中的溅射效应。一方面氮原子的扩散使化合物层的厚度增加,另一方面,溅射使表面已形成的化合物层被去除。厚度的增长速度主要取决于气体的成分、温度和时间;而溅射率和工作压力、电流电压以及材料成分有关。当溅射率和厚度的增长率达到平衡时,化合物层的厚度将不会继续增加。
 
    温度和时间在对渗层深度和硬度有影响的同时,也改变了渗层内残余应力的大小和分布。已经证明,随温度增加和时间的延长,残余压应力层的厚度相应增加,但是渗层中的最大压应力及表面的压应力值下降。高温或长时间渗氮甚至可能在工件表面形成残余拉应力。这对渗氮零件的疲劳性能有不利的影响。

    考虑到以上各因素,工业生产中离子渗氮常用的温度范围一般在450一600℃之间。选择低温工艺能得到较高的表面硬度,并保持工件的心部强度,但渗层浅且承载能力较差。选择较高温度可以得到厚的渗层,从而零件有较高的承载能力。但这时必须考虑零件的变形、渗层硬度以及心部强度的变化。渗氮时间根据零件的材料、渗氮层深度要求以及渗氮温度而定。可以从几十分钟到几十个小时。总体来讲,离子渗氮选用的时间比气体渗氮要短。

    (2)气体成分的影响
 
    离子渗氮一般使用氮气和氢气的混合气体。其中氮气在混合气体中所占的体积百分比称为氮势。离子渗氮也可以用氨气或氨气与氮气的混合气体。氨气可以认为是氮势为25%的氮氢混合气体。除氮和氢以外,在渗氮气氛中有时也有少量的碳。它可以是通过外加含碳气体例如甲烷得到,也可以是由于溅射使钢表面的碳进人气氛中。总之,气氛中氮和碳的含量是影响化合物层组织和结构的两个最重要的因素。这一点很容易从Fe-N二元(图9.5-1)以及Fe-N-C三元(图9.6-3)相图来理解。
 
    与气体渗氮相似,在一定的温度和时间条件下,离子渗氮气氛中的氮势有一个临界值。在此临界值以下,钢表面不会形成化合物层,从而实现光亮渗氮。但应注意的是当氮势太低时,将没有足够氮原子形成渗层,渗层的硬度和总厚度会降低。在临界值以上,化合物层的厚度随氮势的增加而增加。然而,当氮氢混合气氛中氮的含量高于一定值时,化合物层的厚度将不再继续增加反而下降。使用100%的氮气很难达到渗氮效果。这可能是由于纯氮离子在正常电压条件下不足以产生溅射效应而无法实现“溅射一沉积”模型中的FeN沉积所造成的。
 
    氮势和气氛中碳质量分数对化合物层相组成的影响可以根据Fe-N或Fe-C-N相图确定。随着氮势的增加,渗层表面氮浓度增加,因此化合物层中。相的比例增加而丫相的比例降低。渗氮气氛中碳的存在扩大。相区而缩减丫相区,因而碳有利于。相的形成。随着气氛中碳质量分数的增加,化合物层中的。相迅速增多。当碳质量分数达到一个临界值时,化合物层基本上由单相。组成。为了得到丫单相化合物层,应使用较低的氮势和贫碳气氛;反之,为了得到单相。或以。为主的化合物层,则应选用较高的氮势并且气氛中应有适量的碳存在。
 
    气体的成分对扩散层的影响相对较弱。在能保证化合物层形成的条件下,氮势在很宽的一个范围内变化都不会对扩散层的组织和性能有比较明显的影响。因为当化合物层形成后,在化合物层和扩散区的界面即建立起相对稳定的氮浓度梯度。此后扩散区厚度的增长主要取决于氮向内部的扩散速度,而与气氛中氮碳的质量分数关系不大。

    (3)气体压力的影响
 
    离子渗氮时炉内的工作压力可以在100 Pa到1 000 Pa之间变化。工业生产中通常选用的压力为200一600 Pa。气体压力影响等离子体辉光放电特性,从而对渗层特别是化合物层的组织和结构产生影响。当炉内工作压力很高时,单位体积内气体分子/原子数量增加,虽然碰撞机率增加,但电子和离子的自由程缩短,动能下降,因此不仅气体离化比率下降,而且离子轰击工件表面引起的溅射效应也下降。依据“溅射一沉积”理论,将没有足够的铁形成FeN沉积,因此化合物层厚度减薄。相反,当炉内工作压力很低时,电子或离子的动能因自由程增大而增加,这使得阴极表面溅射出来铁的自由程也增大,而工件表面附近形成FeN以及FeN沉积到工件表面的几率降低。离子动能的增加使溅射率增大,新形成的化合物层也很快地被去除。另外,压力低时,因为轰击工件的离子数量减少,为了维持渗氮温度则必须增加工作电压使离子的动能进一步增大。所有这些因素使得低气压时氮向工件表面的总迁移速率下降,而导致化合物层变薄。
 
    由于气体压力影响到氮向工件表面的迁移速率及化合物层的增长速度,因此它对扩散层的厚度也有影响。但这种影响一般只局限在渗氮初期。渗氮时间较长时,气压在一定范围内变化对渗层的深度没有明显影响。因为在化合物层形成后,扩散区和化合物层界面的氮浓度梯度基本上不受气体压力的影响。这时渗层的深度由氮的扩散速度来决定而与工作压力关系不大。这一点和气体成分对扩散区的影响极为相似。

 
 
 
 
 
 
 
(责任编辑:laugh521521)
文章分享:

-->
标签:
版权所有: 非特殊声明均为本站原创文章,转载请注明出处: 三晖机械科技