離子化學熱處理：是爐（真空爐）內通入少量與熱處理目的適應的氣體，在高壓直流電場作用下，稀薄的氣體放電、起輝加熱工件。與此同時，欲滲元素從通入的氣體中離解出來，滲入工件表層。 離子化學熱處理比一般化學熱處理處理速度快，在滲層較薄的情況下尤為顯著。離子化熱處理可以進行離子滲氮、離子滲碳、離子碳氮共滲、離子滲硫和離子滲金屬。
基本介紹
- 中文名：離子化學熱處理
- 外文名：Ion chemical heat treatment
- 定義：真空爐直流電作用下放電加熱工件
離子滲氮,離子N-C共滲,離子滲碳,離子熱處理設備,離子化學熱處理技術的現狀,
離子滲氮
離子滲氮是目前工業上套用最廣、最成熟的離子熱處理工藝，其最大特點是：①滲層組織和相組成可以控制，通過調整工藝參數，可獲得純擴散層、單相化合物層等；②滲速較快，滲層脆性小、質量好；③可進行低溫（400～500℃）離子滲氮，以及對奧氏體不鏽鋼無需預處理便可進行離子滲氮。目前，離於滲氮的技術關鍵是如何根據其特點，結合工件服役條件，合理選取工藝參數。（溫度、電壓、爐壓、時間及工作氣體），獲得所需的最佳滲層，以期充分提高離子滲氮效能與成本之比。例如，精密零件，要求尺寸變形小，表面硬度高，同時要求耐磨、耐蝕的奧氏體不鏽鋼，則宜選低溫離子滲氮。
目前該工藝的進展，主要是擴大套用範圍，如工具、模具，鈦合金和鋁合金以及不鏽鋼的離子滲氮工藝的開發。
奧氏體不鏽鋼離子滲氮，可有效地提高其耐磨性能，但耐蝕性卻下降。自80年代中期以來，不鏽鋼離子滲氮有了重大進展。奧氏體不鏽鋼離子滲氮，可獲得不同的相組成。溫度超過500℃，可形成由γ´、ε、CrN、γ和α相組成的複合滲層，硬度高（1400HV），層厚大於200μm，從而明顯改善其耐磨、抗膠合性能，但由於滲層中有Cr的氮化物析出，導致基體中Cr的減少，使其耐蝕性變壞。試驗發現，奧氏體不鏽鋼的滲層硬度、耐磨性和抗腐蝕性能隨滲氮溫度降低而增高。不同溫度離子滲氮後的陽極極化曲線（NaCI的質量分數為3%），如圖1所示，經500℃×10h滲氮，即能提高腐蝕電位，而450℃滲氛時，Cr的氮化物析出被抑制，而形成含有無特徵的“S-相”單相層，比未處理的不鏽鋼有更寬的純化電位，具有優良的耐腐蝕性能，而且硬度高（約1600HV），可獲得同時改善耐磨和耐蝕的滲氮層，該工藝已在歐洲獲得了工業套用。
離子N-C共滲
離子N-C共滲是從鹽浴和氣體N-C共滲發展起來的，其操作方法與離子滲氮基本相同，但工作氣體成分不同，且冷卻方式除在真空條件下緩慢冷卻外，還可進行油淬或高壓氣淬。
工藝參數為溫度560～600℃，時間1～4h。工作介質可用NH3+C3H3、 NH3+CH4、 NH3+C3H5OH（酒精）和NH3+CH3OHCOOH3；（丙酮）等。
離子N-C共滲時間短，效益高，可獲得以ε單相或ε相為主的具有優良耐磨、抗膠合的化合物層，除適用於合金結構鋼外，特別適宜於碳素鋼和球墨鑄鐵及合金鑄鐵製件的處理。
離子N-C共滲的技術關鍵是化合物層中的ε相和Fe3C的控制。當化合物層中出現少量Fe3C時，化合物層最厚，耐磨性高，韌性好。但形成一定數量的Fe3C時，化合物層厚度明顯下降，脆性增加，因此，應力求獲得單一ε租或ε相為主的化合物層。
化合物層厚度和相組成的控制，主要通過調整工作氣體成分和溫度來實現。例如。碳素鋼和合金鋼在不同 C3H8含量的NH3+C3H8混合氣中進行570℃×10h的離子N-C共滲後，化合物層相組成和層厚與C3H8含量的關係如圖1所示。
由圖可知：①化合物展中ε相體積分數Vε均隨C3H8增加而增加，當C3H8增加到某一臨界量時，出現Fe3C，此時Vε達到最大使；若C3H8繼續增加，Vε則逐漸下降。②化合物層中γ´相體積分數Vγ´隨C3H8增加而減少，滲碳體Fe3C體積分數VC總是隨C3H8增加而增加（當Fe3C形成之後）。③化合物層厚度δ化的變化與Vε一致，擴散層深度δ擴基本不變，但隨材料含碳量和合金元素含量增加而減小；化合物層中出現Fe3C後，滲層厚度則隨C3H8增加而減小。
離子滲碳
我國對離子滲碳工藝進行了大量的試驗研究，但尚未實現生產套用。80年代末，德、法已將離子滲碳開始用於生產，目前，已成功地用於汽車工業，取得了良好效果。
主要工藝參數：溫度850～980℃，總時間（滲碳+擴散）2～8h，冷卻方式為直接油淬或高壓氣淬。滲碳介質用碳氫化合物（如CH4、C3H8等）、N2、H2或Ar。
離子滲碳的技術關鍵是滲層質量控制及設備設計。離子滲碳時，可通過調節碳通量和滲碳時間來控制工件表面的預定碳含量，而碳通量（j）是氣體成分、氣壓、氣體流量、離子電流密度（i）和滲碳溫度的函式。在實際操作中，氣體種類、氣壓和溫度易保持恆定，氣體流量也總用最小值，這樣，碳通量就僅僅取決於電流密度，即j=f（i）。離子滲碳時，電流密度既可精確測定，又能非常可靠地控制。目前，德國已研製、生產了離子滲碳、滲氮專用的離子電流密度感測器，使離子滲碳的控制簡單、精確和重視性好。在工業生產中，離子滲碳時可利用碳的擴散和傳輸的數學模型，採用電流密度感測器，由微機進行全過程的工藝控制，從而獲得預定的表面碳含量、碳分布和滲層深度。表1為不同滲碳工藝的碳通量。
離子熱處理設備
離子熱處理設備由離子發生器（電源）、真空爐體、測溫測壓裝置、供氣排氣系統及其他配套部件組成，關鍵部分為電源和真空爐體。
（1）電源 生產中套用的電源主要有兩種：直流電源和脈衝電源。
直流電源提供的電壓、電流是近似平直或帶有波動的直流電。主要技術指標：電壓0～1000V連續可調。頻率50Hz，滅弧裝置為限流電阻或電子開關。直流電源結構簡單，價格便宜，維修方便，使用壽命長，功率大。但滅弧可靠性不理想，處理溫度與電壓、電流、氣壓不能分開，工藝參數不能獨立調節，尤其當功率密度較小時（<0.2W/cm2），不能保證滲層均勻，故直流電源的使用受到一定限制，為了克服上述缺點，開發了脈衝電源。
脈衝電源提供的電壓、電流是具有一定周期的近似方波的脈衝。80年代，德、法、俄、美、英等國相繼開展脈衝電源的研究和套用。目前，德、法已有系列產品，電壓1000V，功率從50～300kW，頻率800～1000Hz，最高可達10kHz（功率40kW以下）。80年代末，我國開始脈衝電源的研究與套用。鐵道部科學研究院先後研製成晶閘管斬波脈衝電源（1990年），GTO斬波脈衝電源（1992年），和高頻脈衝電源（1997年），三種脈衝電源工作時，都是頻率(周期)T固定，而脈衝寬度t可調。α=t/T稱為導通比。目前，已有系列產品，在生產中套用效果良好。主要技術指標見表1。
脈衝電源的主要優點是：①滅弧速度快（10～60μs），能有效地抑制空心陰極效應。對有小孔、溝槽的複雜工件和小模數齒輪可進行更有效的處理；②能獨立調節工藝參數，增加工藝可調性，擴大套用範圍，尤其適宜於離子N-C共滲和離子滲碳；③與直流電源相比，可節約電源30%左右。
（2）真空爐體 目前，國內外在工業生產中套用的爐體主要有四種類型：①水冷雙層爐壁的真空容器，其形狀有鐘罩式和井式。國內產品的主要規格為：功率25～500kW，真空爐膛直徑700～1700mm，高800～4000mm。該種爐體結構簡單，可用組合件，易於改變爐體高度，可製造大型爐子，價格便宜，維修少，使用壽命長，但能耗大，爐內工件溫度均勻性不易控制，對形狀複雜，且要求滲層均勻、變形小的工件，難於進行有效處理。②帶有對流或熱輻射輔助加熱裝置的熱爐壁真空爐體，其結構如圖1所示。使用這種爐子，處理的工件溫度均勻，工藝較易調整，工件升溫、冷卻快。對不同形狀和壁厚的零件可進行有效處理。該種爐子適宜進行離子N-C共滲、離子多元共滲等。但結構較複雜，造價高，工藝成本較高，增加了維修量，難製造大型爐子。③帶高壓氣淬裝置的離子滲碳爐，如圖2所示、④帶整體油淬裝置的離子滲碳爐，見圖3。這後兩種爐子，都是在真空滲碳爐的基礎上，加裝高額脈衝電源，由微機控制工藝過程。德國Ipsen公司，為了保證每爐處理的產品質量穩定，重視性好，滲碳時有高的碳傳輸量，採用離子電流密度感測器來控制離子滲碳工藝過程。它對工件表面碳含量、碳分布和滲層深度的控制，與現代氣體滲碳（微機碳勢控制）一樣精確、可靠。
離子化學熱處理技術的現狀
1．離子化學熱處理的機理與組織性能研究 離子化學熱處理是在低溫電漿中進行的，存在各種高能離子、高能電子以及高能中性原子等粒子，因而決定了離子化學熱處理反應的複雜性。關於離子化學熱處理的機理，目前公認觀點大致有以下幾種： (1)濺射與沉積理論這是1965年J.Kölbel在研究和完善B.Berghous的離子轟擊模型的基礎上提出來的，他認為：離子滲氮時，滲氮層是通過陰極濺射反應而形成的。 (2)分子離子理論 1973年，M.Hudis根據4340鋼在濺射很弱的情況下，仍然可以得到顯著的硬化效果這一事實得出：在離子滲氮時，雖然濺射很明顯，但這不是主要的控制因素，對滲氮起決定作用的是氮氫分子離子化的結果，並認為氮離子也能滲氮。 (3)中性氮原子模型 1974年，G.Tibbetts在N2-H2混合氣離子滲氮時，於試樣外加一網狀柵極，以濾掉轟向試樣的正離子，只讓不帶電荷的中性粒子到達試樣。試驗表明，有、無柵極的狀況下，滲氮效果相同。因此，G.Tibbetts認為，對離子滲氮起作用的實質上是中性氮原子，NH2+離子的作用是次要的。 (4)活性氮原子碰撞離析理論這是我國學者在20世紀80年代提出的，他們認為，活性氮原子在離子滲氮過程中起決定作用。 從上述幾種離子化學熱處理機理不難看出，各種結論都是在相對獨立的條件下得到的，過於強調某一種粒子的作用，弱化了其他粒子的貢獻。離子滲氮顯然不同於氣體滲氮，等離子場組成複雜，各種粒子互動作用，共同完成了離子滲氮過程。在一般狀況下(而不是某種特定的試驗條件)，哪一種粒子的貢獻更大，仍然是值得深入研究的。 對離子化學熱處理後所獲得的各種滲層組織與性能的研究，我國的科技工作者一直沒有停止這方面的工作。由於處理過程在低壓無氧化的氣氛中進行，較之於常規化學熱處理，其滲層質量更好，綜合力學性能更高，特別是離子滲氮層組織結構可控的特點，在實際生產中得到廣泛套用。如通過調整爐氣成分可獲得耐蝕性較好的單一ε相結構或韌性較高的單一γ′相結構的化合物層；為減小高速鋼滲氮處理後脆性增加的問題，可改變工藝參數，以獲得無化合物層的滲層結構等。近幾年，許多單位又在複合處理方面下了較大功夫，尤其是對離子滲硫(及其複合處理)層的組織和性能進行了大量研究，使得該項技術得以長期發展。
