金属材料表面离子轰击(离子氮化)新技术.pdf

离子氮化 本技术是我国 70 年代新兴的表面强化技术学科。自1978 年以来，我院从事钛合金的离子 氮化和离子复合处理研究。对热挤压铝型材模具钢3Cr2W8V 、进口（仿） H13钢。不锈钢、日本 P20、38CrMoAl、40Cr、35CrMo 、40CrNiMo和 30CrMnSi等钢制零部件进行离子氮化和离子复合 处理研究。近年来，又开展对长轴类工件施行离子处理表面强化工作，诸如，高精度大型瓦楞 辊和生产淀粉刮刀进行表面强化处理研究。使工件表面既提高硬度，又保持基体强度。耐腐蚀 性能和耐磨性能也十分显著。为社会创造了较大的经济效益。多次获得国家科委“七五”攻关 奖、中国有色金属总公司和省市级有关部门的奖励。 1. 离子轰击氮化法的基本原理 离子氮化是利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法。在低压的氮气或氨 气等气氛中，炉体和被处理工件之间加以直流电压，使产生辉光放电，在被处理表面数毫米处 出现急剧的电压降，气体中的离子，朝着图1 箭头所示方向向阴极移动（如图1）。当接近工 件表面时，由于电压剧降而被强烈加速，轰击工件表面，离子具有的动能转变为热能，加热了 被处理工件，同时一部分离子直接注入工件表面，一部分离子引起阴极溅射，从工件表面“溅 出”电子和原子，“溅出”的铁原子和由于电子作用而形成的原子态氮相结合，形成FeN 。FeN 由于吸附和在表面上蒸发，因受到高温和离子轰击而很快地分解为低价氮化物而放出氮。一部 分失去氮的铁又被溅射到辉光等离子气体中与新的氮原子相结合，促进氮化。 图 1 离子氮化的表面反应图 阴 极 下 降 电 压 降 等离子区 工 件 处 理 表 面 炉 壁 离子 Fe + N Fe2N N FeN Fe3N N Fe4N N 相 相 Fe 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 538 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37 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。（见表1、图 4）。 3. 离子轰击（离子氮化）设备 我院拥有大功率炉体高达5.5 米，直径为 1 米的 LHQ 150D型和 LCH 120 型两台吊挂式离 子轰击强化炉，可对长轴类600 毫米，长为 3.5 米工件进行表面强化处理；还有一台堆放式 的 LD2 50A离子轰击炉，其炉体直径为 1.4 米，宜进行堆放式处理的工件， 诸如挤压铝型模具、 钛合金平板阀阀板和阀座等进行表面氮化处理，并借助我院拥有的先进的日产Ja50 电子探针 和日产 X 射线衍射仪、金相显微镜和各种硬度计等测试手段、对经本技术表面处理的工件进行 检测分析，以便保质保量交给用户使用， 4. 近年来，用本技术我院承担的研究、开发课题 4.1 钛及常用钛合金离子氮化新工艺1982年冶金部三等奖，广东省科技成果三等奖 4.2 新型耐靡耐蚀材料离子氮化钛合金密封副研究中国有色总公司三等奖 4.3BLTi 32200 型钛泵的研制1984 年辽宁省优秀科技成果三等奖 4.4 建筑铝型材挤压模具制作研究1988 年有色总公司二等奖 本工艺 F e 3 N ( 1 0 0 ) 普通离子氮化工艺 F e3 N ( 1 0 0 ) 17 20 4.5 铝型材模具制作1989年国家科委科技进步三等奖 4.6 高精度大型瓦楞辊表面离子强化工艺研究1995 年中国有色总公司科技进步三等奖 4.7 钛钌铱三元基质PH电极的研制1997 年通过广州市科委组织鉴定 5. 本技术对钛及钛合金表面强化处理应用 本工艺对钛及其合金施行离子氮化后，钛材表面硬度可提高310 倍，Hv0.318002400, 耐 磨性能可提高几倍至几十倍，摩擦系数降低到原来的1/2 1/5 ，在盐酸类还原性介质中的耐磨 耐腐蚀性能可提高几十倍到一千多倍，适宜在动负荷，摩擦力和腐蚀性介质三者同时存在的苛 刻环境中长期工作。如， Ti-6Al-4V合金制用于天然气生产用平板阀阀板和阀座，经高温离子 氮化仍具有令人满意的尺寸精度和表面光洁度，综合性能均优于同规格的美制部件。除此之外， 南京化工厂用生产苯酚的钛轴套、青岛化工厂钛加热管、 盐矿生产食盐的 LWL 500300N钛推 料器以及金川工程设备中数万支钛螺栓等等零部件，经本工艺处理后，大大地提高其硬度，提 高耐磨和耐腐蚀性能，延长其使用寿命，得到令人满意的效果。 200 400 600 800 1000 1200 气体软氮化（560，5 小时） 离子符合处理（550， 5 小时） 0 100 200 300 显 微 硬 度 ( 0 .1 公 斤 / 毫 米 2 ) 图 3 H13 模具钢试样渗层硬度分布曲线 距表面的距 离(微米 ) 表 1 瓦楞辊表面离子强化处理前后变形量检验结果( 单位： mm) B型返修辊 上辊下辊 左中右左中右 强化前0.023 0.039 0.037 0.04 0.03 0.03 强化后0.030 0.040 0.040 0.035 0.02 0.02 B型新辊 上辊下辊 左中右左中右 强化前0.040 0.050 0.045 0.038 0.043 0.027 强化后0.050 0.060 0.050 0.040 0.030 0.030 B型返修辊 上辊下辊 左中右左中右 强化前0.040 0.045 0.025 0.040 0.045 0.035 强化后0.050 0.050 0.030 0.041 0.050 0.038 B型返修辊 上辊下辊 左中右左中右 强化前0.030 0.030 0.040 0.017 0.025 0.040 强化后0.040 0.040 0.050 0.020 0.040 0.050 BC型蒸汽气动辊 上辊下辊 左中右左中右 强化前0.029 0.025 0.035 0.025 0.026 0.015 强化后0.030 0.030 0.040 0.020 0.020 0.015 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 3 4 5 6 7 8 9 10 距表面的距离mm 显 微 硬 度 （ H v 0 . 1 ） 1 0 3 N / m m 2 530 - 550 oC 6h 530 - 550 oC 10h 图 4 35CrMo 钢试样渗层硬度梯度分布曲线