氣體滲氮時，不銹鋼零件必須清除表面鈍化膜，且滲氮時間較長；液體軟滲氮雖然不需要清除鈍化膜，但鹽浴有毒，對人體有害，對環境也是污染。目前，不銹鋼零件滲氮應用較多的就是離子滲氮。不銹鋼零件在離子滲氮時，由于離子轟擊的作用，可以自動去除不銹鋼、耐熱鋼零件表面的鈍化膜，并可直接進行不銹鋼零件的滲氮。與氣體滲氮相比，離子滲氮具有以下優點：
1. 滲入速度快
在滲(shen)氮溫度(du)和(he)保(bao)溫時間相同的情況下，離(li)子(zi)滲(shen)氮所(suo)得到(dao)的滲(shen)氮層(ceng)厚度(du)明(ming)顯大于(yu)氣體(ti)(ti)滲(shen)氮層(ceng)深度(du)，特別是淺層(ceng)滲(shen)氮時（滲(shen)層(ceng)≤0.20mm），離(li)子(zi)滲(shen)氮的速度(du)是氣體(ti)(ti)滲(shen)氮的兩倍以(yi)上。
2. 零件變形小
由于(yu)離子(zi)滲氮(dan)是通過陰極濺(jian)射進行的(de)，因此(ci)抵消掉了一部分因氮(dan)的(de)滲入引起的(de)零件尺寸的(de)漲量。同時離子(zi)滲氮(dan)溫度較低(di)，變形(xing)較小。
3. 滲氮組織易于(yu)控(kong)制
通過(guo)調節(jie)滲(shen)氮氣體(ti)的成分可以對滲(shen)層組織進(jin)行適當的控制，并降低不銹鋼(gang)零件的脆性。
4. 易于實現局部滲氮
用(yong)機械屏蔽法即可對非滲(shen)氮(dan)部位進行有效的(de)保(bao)護(hu)，比氣(qi)體滲(shen)氮(dan)采用(yong)電鍍、涂料等保(bao)護(hu)法經濟、簡便(bian)。
離(li)(li)子(zi)滲(shen)氮是在(zai)離(li)(li)子(zi)滲(shen)氮爐(lu)中進行的，在(zai)低真空下，向爐(lu)中通入氨氣或(huo)氮氫混合氣體。以(yi)工(gong)(gong)件為陰極，爐(lu)壁(bi)為陽極，在(zai)直流電壓的作(zuo)用(yong)下引起輝光放電，氮被離(li)(li)子(zi)化，并以(yi)高(gao)速向工(gong)(gong)件表面(mian)(mian)(mian)轟擊，一(yi)方面(mian)(mian)(mian)使工(gong)(gong)件表面(mian)(mian)(mian)產生(sheng)離(li)(li)子(zi)濺射，造成晶格缺陷；另(ling)一(yi)方面(mian)(mian)(mian)，轟擊產生(sheng)熱(re)能，加熱(re)工(gong)(gong)件表面(mian)(mian)(mian)。氮離(li)(li)子(zi)被工(gong)(gong)件表面(mian)(mian)(mian)擒獲、吸(xi)收，并向工(gong)(gong)件內部擴散。
一、離子滲氮的工(gong)藝(yi)參數(shu)
離子滲氮的主要工藝參數為：
1. 真空度：一(yi)般為1.33～13.3Pa，爐(lu)子應在限定時間達到6.65Pa。
2. 氣(qi)壓：氣體常(chang)用壓力為266~793Pa。
3. 電流密度:0.5~5mA/cm.
4. 輝(hui)光電(dian)壓：加(jia)熱(re)電(dian)壓為(wei)550~750V;在保溫階(jie)段,電(dian)壓應(ying)適當比(bi)加(jia)熱(re)階(jie)段電(dian)壓略低,通常為(wei)550~650V。形狀(zhuang)簡單取650V,形狀(zhuang)復(fu)雜取550V。
5. 滲氮溫(wen)度(du)(du)：一般取450~600℃,即使在400℃以下(xia)也能(neng)滲氮處理。滲氮溫(wen)度(du)(du)低時滲層薄,但溫(wen)度(du)(du)過高(gao)則(ze)氮化物粗(cu)化、硬(ying)度(du)(du)下(xia)降并(bing)降低抗粘模(mo)能(neng)力。工(gong)廠里多采(cai)用(yong)510-550℃,效果較佳(jia)。
6. 滲氮(dan)時間：離子滲氮(dan)時間的選擇(ze)主要取決于零件(jian)所選用的材料、要求的滲氮(dan)層深度(du)以及滲氮(dan)的溫度(du)。不銹鋼零件(jian)一般(ban)取2~6h。
7. 滲氮氣氛：目前,一般使用的是預先經過熱分解的氨氣進行離子滲氮,可以較好地解決直接通氨進行離子滲氮時所產生的一些缺陷,而且方法簡便。有的單位采用N2和H2的混合氣體進行滲氮,H作為稀釋氣體加人可調節滲氮氣氛的氮勢(N和H2的比例可在20:80到80:20之間變化),從而較容易地對滲氨層組織進行控制,提高不銹鋼零件的滲氮質量。
二、滲氮前的準(zhun)備(bei)
為了控制(zhi)滲氮質量,必須對零(ling)件的預處理、設備真空性能、滲氮操作進行嚴格控制(zhi)。
1. 零件的調質處(chu)理或(huo)固溶處(chu)理：馬氏(shi)體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)調質(zhi)后(hou)(hou),其基(ji)體(ti)(ti)為回火(huo)索(suo)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi),提(ti)高了基(ji)體(ti)(ti)強度(du)和(he)韌性及(ji)疲(pi)勞性能。同(tong)樣條件下,調質(zhi)后(hou)(hou)滲(shen)氮層深度(du)可(ke)提(ti)高20%以上,硬度(du)也有所提(ti)高。奧氏(shi)體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)固溶后(hou)(hou)可(ke)獲得單一(yi)的奧氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織(zhi),有利于滲(shen)氮層深度(du)的提(ti)高。
2. 消除應力退火(huo)：為了減(jian)少(shao)不銹(xiu)鋼零件滲氮后的變形,在半精(jing)加(jia)(jia)工后、精(jing)加(jia)(jia)工前,加(jia)(jia)一次消(xiao)除加(jia)(jia)工應力退火處理。退火溫(wen)度(du)為600-700℃,保溫(wen)時間為2-4h,可減(jian)少(shao)變形。
3. 不銹鋼零件在滲氮前應進行脫脂除(chu)(chu)銹,清理飛(fei)邊(bian)毛(mao)刺,消除(chu)(chu)弧光放電。
4. 應(ying)進行設(she)備極限(xian)真(zhen)空(kong)(kong)度試驗(yan),爐子(zi)應(ying)在限(xian)定的(de)時間內達到(dao)6.65Pa。否則,在沒有足夠(gou)的(de)極限(xian)真(zhen)空(kong)(kong)度下,容易引起(qi)工件在滲氮和冷卻過(guo)程(cheng)中的(de)氧化(hua),加大氮原子(zi)擴散阻力。
5. 真空(kong)保持(chi)(chi)試(shi)驗。真空(kong)保持(chi)(chi)和極限真空(kong)度有密切關(guan)系。實踐(jian)證明,爐(lu)子的真空(kong)保持(chi)(chi)(即壓升率)為爐(lu)壓每分(fen)鐘上升0.133~0.266Pa時,即能滿足工藝(yi)要求。一般開5爐(lu)后(hou)即應作一次真空(kong)保持(chi)(chi)試(shi)驗。
三(san)、滲氮操作(zuo)
滲(shen)氮的具體操作如下:
1. 清洗：清洗待滲(shen)氮件(jian)表(biao)面和內(nei)(nei)孔的(de)油污、銹(xiu)斑(ban)以及孔內(nei)(nei)殘(can)存(cun)的(de)切屑。
2. 裝(zhuang)爐：同爐處(chu)理的待滲氮件(jian)應為(wei)同種(zhong)零(ling)件(jian)或表面(mian)積和重量之比接近的零(ling)件(jian)。零(ling)件(jian)與陰極托盤之間接觸良好,零(ling)件(jian)間距(ju)一般為(wei)40~70mm。如能保證質量,也可(ke)以多種(zhong)零(ling)件(jian)混裝(zhuang)。
3. 待滲(shen)氮(dan)(dan)件(jian)(jian)需防滲(shen)部位和不需滲(shen)氮(dan)(dan)的小孔(kong)、窄縫應進行覆蓋、屏蔽。待滲(shen)氮(dan)(dan)件(jian)(jian)至陽極(ji)距離大致相等，在待滲(shen)氮(dan)(dan)件(jian)(jian)預測(ce)溫度(du)可能偏(pian)低的部位可設置輔助陰極(ji)和輔助陽極(ji)。
4. 試(shi)樣(yang)安放的位置應保證在滲氮時與零件的溫度一致，或采(cai)用(yong)模(mo)擬試(shi)件。
5. 蓋上爐(lu)罩，起動真(zhen)空泵，待爐(lu)壓至極限真(zhen)空度(du)后(hou)停泵，使(shi)爐(lu)內(nei)壓升至常壓，并重復一(yi)次。這樣也能降低起輝電(dian)壓，縮(suo)短打散(san)弧時間。
6. 氨(an)干(gan)燥處理：供貨態(tai)的(de)氨(an)，有(you)一定的(de)殘(can)存水分會隨氨(an)進入爐(lu)內，容易使化合物層出現(xian)ε相。干(gan)燥器最好用不銹鋼板焊接(jie)，填(tian)充(chong)硅膠、木炭等干(gan)燥劑。在滲氮過程中，若(ruo)氨(an)氣流量(liang)計出現(xian)小(xiao)水珠，應對干(gan)燥劑進行烘干(gan)或(huo)更換。
7. 氨熱分(fen)解(jie)：氨熱分(fen)解(jie)可通(tong)過750℃左(zuo)右(you)的蛇形(xing)或螺旋形(xing)熱分(fen)解(jie)器(qi)實現。分(fen)解(jie)器(qi)的內徑為8～12mm，由不銹鋼管制成，展(zhan)開長度為1.5～2.5m。分(fen)解(jie)器(qi)可置于箱(xiang)式電爐內，也可用6kW左(zuo)右(you)的專用封(feng)閉式小(xiao)型電爐。
8. 正壓狀態供氮(dan)：輸(shu)氮(dan)管路一般(ban)都比較長(chang)，接頭(tou)多，而(er)且常存在盤折現象。氨壓在管壁損失大，加(jia)之干燥器的阻(zu)力，使流量計(ji)(ji)進氣端接頭(tou)等(deng)處有可能出(chu)現負壓。若這些地方不嚴密，空(kong)氣進入(ru)流量計(ji)(ji)，混入(ru)爐內，將造成零件滲氮(dan)層薄且硬度低等(deng)缺陷。所以流量計(ji)(ji)一側應維持正壓，輸(shu)氨管路應盡量短，各(ge)個接頭(tou)要(yao)牢(lao)固。
9. 采(cai)用合適的電壓(ya)點燃輝光后，采(cai)用逐(zhu)步交替(ti)升(sheng)高(gao)壓(ya)和氣壓(ya)的程序進行(xing)清理和升(sheng)溫(wen)，升(sheng)溫(wen)速度一般以(yi)250～350℃／h為宜。升(sheng)溫(wen)速度過(guo)快(kuai)，會增加零件(jian)的變(bian)形量，因(yin)此易變(bian)形零件(jian)在400℃以(yi)上應緩慢加熱。
10. 冷卻(que)水(shui)(shui)要(yao)適量(liang)：保溫(wen)期(qi)間冷卻(que)水(shui)(shui)不(bu)宜過大，爐體表面溫(wen)度維持在30℃左右即可。
11. 弱輝(hui)降溫(wen)：保溫(wen)階段結束后，提高爐(lu)內真空(kong)度，減小電(dian)流，以(yi)不使輝(hui)光熄滅(mie)為度（傳統上是關(guan)閉閥(fa)門(men)停止(zhi)供氣和抽氣，切斷(duan)輝(hui)光電(dian)源，零件在滲氮(dan)氣氛(fen)中隨(sui)爐(lu)冷(leng)(leng)卻）。待爐(lu)溫(wen)降到250℃以(yi)下(xia)時滅(mie)輝(hui)，再(zai)加大氨量和冷(leng)(leng)卻水量，冷(leng)(leng)卻0.5h。
12. 零件溫度降到(dao)200℃以下方可出(chu)爐。
13. 零件出(chu)爐后應進行外觀、硬度、滲(shen)氮深(shen)度、金相組織(zhi)、變形量的檢查。
部(bu)分不銹鋼常用滲(shen)氮工藝規范見(jian)表3-21，離子滲(shen)碳時的氨氣(qi)流量可根據(ju)設(she)備功率參(can)照表3-22選取。
