金屬材料表面離子轟擊（離子氮化）新技術(shù).doc

離子氮化本技術(shù)是我國70年代新興的表面強(qiáng)化技術(shù)學(xué)科。自1978年以來，我院從事鈦合金的離子氮化和離子復(fù)合處理研究。對熱擠壓鋁型材模具鋼3Cr2W8V、進(jìn)口（仿）H13鋼。不銹鋼、日本P20、38CrMoAl、40Cr、35CrMo、40CrNiMo和30CrMnSi等鋼制零部件進(jìn)行離子氮化和離子復(fù)合處理研究。近年來，又開展對長軸類工件施行離子處理表面強(qiáng)化工作，諸如，高精度大型瓦楞輥和生產(chǎn)淀粉刮刀進(jìn)行表面強(qiáng)化處理研究。使工件表面既提高硬度，又保持基體強(qiáng)度。耐腐蝕性能和耐磨性能也十分顯著。為社會創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。多次獲得國家科委“七五”攻關(guān)獎、中國有色金屬總公司和省市級有關(guān)部門的獎勵。1. 離子轟擊氮化法的基本原理離子氮化是利用輝光放電這一物理現(xiàn)象對金屬材料表面強(qiáng)化的氮化法。在低壓的氮?dú)饣虬睔獾葰夥罩?，爐體和被處理工件之間加以直流電壓，使產(chǎn)生輝光放電，在被處理表面數(shù)毫米處出現(xiàn)急劇的電壓降，氣體中的離子，朝著圖1箭頭所示方向向陰極移動（如圖1）。當(dāng)接近工件表面時，由于電壓劇降而被強(qiáng)烈加速，轟擊工件表面，離子具有的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱了被處理工件，同時一部分離子直接注入工件表面，一部分離子引起陰極濺射，從工件表面“濺出”電子和原子，“濺出”的鐵原子和由于電子作用而形成的原子態(tài)氮相結(jié)合，形成FeN。FeN由于吸附和在表面上蒸發(fā)，因受到高溫和離子轟擊而很快地分解為低價氮化物而放出氮。一部分失去氮的鐵又被濺射到輝光等離子氣體中與新的氮原子相結(jié)合，促進(jìn)氮化。 電壓降陰極下降工件處理表面等離子區(qū)爐壁電子離子Fe+ N 吸附FeN相相Fe2N NFe3N NFe4N NFe 圖1 離子氮化的表面反應(yīng)圖2. 離子轟擊（氮化）處理工藝特點(diǎn)2.1采用本工藝能夠在同一工件上獲得基體性能與表面性能的良好配合，滲層表面既硬以韌。耐磨損的表層緊密結(jié)合在基體上。2.2在處理過的工件表面所的表層質(zhì)地致密。強(qiáng)韌性能兼?zhèn)洹?yōu)于諸如氣體氮化，氣體軟氮化或液體軟化等常規(guī)方法處理的工件。由圖2和圖3表明，采用本工藝處理的工件可克服滲層疏松，性脆，硬度強(qiáng)度過大，與基體的結(jié)合差等“弊病”。2.3經(jīng)本工藝處理的工件能保持良好的表面光潔度，并且能夠保持很高和變形量小。2.4能夠處理具有窄縫工作帶的鋁型材模具，目前，國內(nèi)離子氮化處理深度窄縫的能力一般在1.5毫米以上，而國外處理擠壓模具窄縫的能力可達(dá)0.8毫米以上，我院的離子處理窄縫能力已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，且本工藝重復(fù)性好。本工藝 Fe3N (100 )普通離子氮化工藝 Fe3N (100 )17202.5滲層的組織與性能可控制，溫度均勻性好。模具工作帶硬度提高幅度大，Hv0.3 10001200。2.6本工藝處理過的H13鋼試樣的耐靡性能為未處理試樣（淬火、另回火狀態(tài)）的538倍，而摩擦力矩僅為未經(jīng)處理試樣的六分之一。2.7經(jīng)本工藝處理后，鋁型材擠壓模具的平均使用壽命可提高37倍，同時改善了鋁合金型材的表面質(zhì)量，深受用戶好評。圖2 H13鋼試樣離子復(fù)合處理滲層與普通離子氮化滲層的X射線衍射曲線對比2.8本工藝適合對長軸類工件表面進(jìn)行離子轟擊表面強(qiáng)化處理，諸如，長度為3.3米，厚度4毫米，寬160毫米的淀粉機(jī)械刮刀和長軸類部件35CrMo鋼、42CrMo鋼和38CrMoAl鋼制高精度大型瓦楞輥和38CrMoAl鋼制塑料螺桿的表面硬化處理。經(jīng)本技術(shù)表面強(qiáng)化處理后，可大幅度地提高其硬度和耐磨性能。特別是直徑為300毫米，長度為3米的35CrMo鋼制高精度大型瓦楞輥，運(yùn)用國內(nèi)首次采用的吊掛式自由垂直陰極技術(shù)進(jìn)行表面離子強(qiáng)化處理，經(jīng)處理后，瓦楞輥輥身中高齒頂母線變形量小于0.01毫米，解決了長軸類高溫?zé)崽幚淼淖冃坞y題。（見表1、圖4）。3. 離子轟擊（離子氮化）設(shè)備我院擁有大功率爐體高達(dá)5.5米，直徑為1米的LHQ150D型和LCH120型兩臺吊掛式離子轟擊強(qiáng)化爐，可對長軸類600毫米，長為3.5米工件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理；還有一臺堆放式的LD250A離子轟擊爐，其爐體直徑為1.4米，宜進(jìn)行堆放式處理的工件，諸如擠壓鋁型模具、鈦合金平板閥閥板和閥座等進(jìn)行表面氮化處理，并借助我院擁有的先進(jìn)的日產(chǎn)Ja50電子探針和日產(chǎn)X射線衍射儀、金相顯微鏡和各種硬度計等測試手段、對經(jīng)本技術(shù)表面處理的工件進(jìn)行檢測分析，以便保質(zhì)保量交給用戶使用，4. 近年來，用本技術(shù)我院承擔(dān)的研究、開發(fā)課題4.1鈦及常用鈦合金離子氮化新工藝1982年冶金部三等獎，廣東省科技成果三等獎4.2新型耐靡耐蝕材料離子氮化鈦合金密封副研究中國有色總公司三等獎4.3 BLTi32200型鈦泵的研制1984年遼寧省優(yōu)秀科技成果三等獎4.4建筑鋁型材擠壓模具制作研究1988年有色總公司二等獎4.5鋁型材模具制作1989年國家科委科技進(jìn)步三等獎4.6高精度大型瓦楞輥表面離子強(qiáng)化工藝研究1995年中國有色總公司科技進(jìn)步三等獎4.7鈦釕銥三元基質(zhì)PH電極的研制1997年通過廣州市科委組織鑒定5.本技術(shù)對鈦及鈦合金表面強(qiáng)化處理應(yīng)用 本工藝對鈦及其合金施行離子氮化后，鈦材表面硬度可提高310倍，Hv0.318002400,耐磨性能可提高幾倍至幾十倍，摩擦系數(shù)降低到原來的1/21/5，在鹽酸類還原性介質(zhì)中的耐磨耐腐蝕性能可提高幾十倍到一千多倍，適宜在動負(fù)荷，摩擦力和腐蝕性介質(zhì)三者同時存在的苛刻環(huán)境中長期工作。如，Ti-6Al-4V合金制用于天然氣生產(chǎn)用平板閥閥板和閥座，經(jīng)高溫離子氮化仍具有令人滿意的尺寸精度和表面光潔度，綜合性能均優(yōu)于同規(guī)格的美制部件。除此之外，南京化工廠用生產(chǎn)苯酚的鈦軸套、青島化工廠鈦加熱管、鹽礦生產(chǎn)食鹽的LWL500300N鈦推料器以及金川工程設(shè)備中數(shù)萬支鈦螺栓等等零部件，經(jīng)本工藝處理后，大大地提高其硬度，提高耐磨和耐腐蝕性能，延長其使用壽命，得到令人滿意的效果。距表面的距離(微米)圖3 H13模具鋼試樣滲層硬度分布曲線顯 微 硬 度 (0.1公斤/毫米2)3002001000 氣體軟氮化（560，5小時） 離子符合處理（550， 5小時）12001000800600400200 表1 瓦楞輥表面離子強(qiáng)化處理前后變形量檢驗結(jié)果(單位：mm)B型返修輥上輥下輥左中右左中右強(qiáng)化前0.0230.0390.0370.040.030.03強(qiáng)化后0.0300.0400.0400.0350.020.02B型新輥上輥下輥左中右左中右強(qiáng)化前0.0400.0500.0450.0380.0430.027強(qiáng)化后0.0500.0600.0500.0400.0300.030B型返修輥上輥下輥左中右左中右強(qiáng)化前0.0400.0450.0250.0400.0450.035強(qiáng)化后0.0500.0500.0300.0410.0500.038B型返修輥上輥下輥左中右左中右強(qiáng)化前0.0300.0300.0400.0170.0250.040強(qiáng)化后0.0400.0400.0500.0200.0400.050BC型蒸汽氣動輥上輥下輥左中右左中右強(qiáng)化前0.0290.0250.0350.0250.0260.0