氣體滲氮時(shí)，不銹鋼零件必須清除表面鈍化膜，且滲氮時(shí)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(huán)境也是污染。目前，不銹鋼零件滲氮應(yīng)用較多的就是離子滲氮。不銹鋼零件在離子滲氮時(shí)，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(jìn)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(yōu)點(diǎn)：
1. 滲入速度快
在滲氮溫度和保溫時(shí)間相同的情況下，離子滲氮所得到的滲氮層厚度明顯大于氣體滲氮層深度，特別是淺層滲氮時(shí)（滲層≤0.20mm），離子滲氮的速度是氣體滲氮的兩倍以上。
2. 零件變形小
由于離子滲氮是通過陰極濺射進(jìn)行的，因此抵消掉了一部分因氮的滲入引起的零件尺寸的漲量。同時(shí)離子滲氮溫度較低，變形較小。
3. 滲氮組織易于控制
通過調(diào)節(jié)滲氮?dú)怏w的成分可以對滲層組織進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲⒔档筒讳P鋼零件的脆性。
4. 易于實(shí)現(xiàn)局部滲氮
用機(jī)械屏蔽法即可對非滲氮部位進(jìn)行有效的保護(hù)，比氣體滲氮采用電鍍、涂料等保護(hù)法經(jīng)濟(jì)、簡便。
離子滲氮是在離子滲氮爐中進(jìn)行的，在低真空下，向爐中通入氨氣或氮?dú)浠旌蠚怏w。以工件為陰極，爐壁為陽極，在直流電壓的作用下引起輝光放電，氮被離子化，并以高速向工件表面轟擊，一方面使工件表面產(chǎn)生離子濺射，造成晶格缺陷；另一方面，轟擊產(chǎn)生熱能，加熱工件表面。氮離子被工件表面擒獲、吸收，并向工件內(nèi)部擴(kuò)散。
一、離子滲氮的工藝參數(shù)
離子滲氮的主要工藝參數(shù)為：
1. 真空度：一般為1.33～13.3Pa，爐子應(yīng)在限定時(shí)間達(dá)到6.65Pa。
2. 氣壓：氣體常用壓力為266~793Pa。
3. 電流密度:0.5~5mA/cm.
4. 輝光電壓：加熱電壓為550~750V;在保溫階段,電壓應(yīng)適當(dāng)比加熱階段電壓略低,通常為550~650V。形狀簡單取650V,形狀復(fù)雜取550V。
5. 滲氮溫度：一般取450~600℃,即使在400℃以下也能滲氮處理。滲氮溫度低時(shí)滲層薄,但溫度過高則氮化物粗化、硬度下降并降低抗粘模能力。工廠里多采用510-550℃,效果較佳。
6. 滲氮時(shí)間：離子滲氮時(shí)間的選擇主要取決于零件所選用的材料、要求的滲氮層深度以及滲氮的溫度。不銹鋼零件一般取2~6h。
7. 滲氮?dú)夥眨耗壳?一般使用的是預(yù)先經(jīng)過熱分解的氨氣進(jìn)行離子滲氮,可以較好地解決直接通氨進(jìn)行離子滲氮時(shí)所產(chǎn)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(jìn)行滲氮,H作為稀釋氣體加人可調(diào)節(jié)滲氮?dú)夥盏牡獎?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(jìn)行控制,提高不銹鋼零件的滲氮質(zhì)量。
二、滲氮前的準(zhǔn)備
為了控制滲氮質(zhì)量,必須對零件的預(yù)處理、設(shè)備真空性能、滲氮操作進(jìn)行嚴(yán)格控制。
1. 零件的調(diào)質(zhì)處理或固溶處理：馬氏體不銹鋼調(diào)質(zhì)后,其基體為回火索氏體組織,提高了基體強(qiáng)度和韌性及疲勞性能。同樣條件下,調(diào)質(zhì)后滲氮層深度可提高20%以上,硬度也有所提高。奧氏體不銹鋼固溶后可獲得單一的奧氏體組織,有利于滲氮層深度的提高。
2. 消除應(yīng)力退火：為了減少不銹鋼零件滲氮后的變形,在半精加工后、精加工前,加一次消除加工應(yīng)力退火處理。退火溫度為600-700℃,保溫時(shí)間為2-4h,可減少變形。
3. 不銹鋼零件在滲氮前應(yīng)進(jìn)行脫脂除銹,清理飛邊毛刺,消除弧光放電。
4. 應(yīng)進(jìn)行設(shè)備極限真空度試驗(yàn),爐子應(yīng)在限定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到6.65Pa。否則,在沒有足夠的極限真空度下,容易引起工件在滲氮和冷卻過程中的氧化,加大氮原子擴(kuò)散阻力。
5. 真空保持試驗(yàn)。真空保持和極限真空度有密切關(guān)系。實(shí)踐證明,爐子的真空保持(即壓升率)為爐壓每分鐘上升0.133~0.266Pa時(shí),即能滿足工藝要求。一般開5爐后即應(yīng)作一次真空保持試驗(yàn)。
三、滲氮操作
滲氮的具體操作如下:
1. 清洗：清洗待滲氮件表面和內(nèi)孔的油污、銹斑以及孔內(nèi)殘存的切屑。
2. 裝爐：同爐處理的待滲氮件應(yīng)為同種零件或表面積和重量之比接近的零件。零件與陰極托盤之間接觸良好,零件間距一般為40~70mm。如能保證質(zhì)量,也可以多種零件混裝。
3. 待滲氮件需防滲部位和不需滲氮的小孔、窄縫應(yīng)進(jìn)行覆蓋、屏蔽。待滲氮件至陽極距離大致相等，在待滲氮件預(yù)測溫度可能偏低的部位可設(shè)置輔助陰極和輔助陽極。
4. 試樣安放的位置應(yīng)保證在滲氮時(shí)與零件的溫度一致，或采用模擬試件。
5. 蓋上爐罩，起動真空泵，待爐壓至極限真空度后停泵，使?fàn)t內(nèi)壓升至常壓，并重復(fù)一次。這樣也能降低起輝電壓，縮短打散弧時(shí)間。
6. 氨干燥處理：供貨態(tài)的氨，有一定的殘存水分會隨氨進(jìn)入爐內(nèi)，容易使化合物層出現(xiàn)ε相。干燥器最好用不銹鋼板焊接，填充硅膠、木炭等干燥劑。在滲氮過程中，若氨氣流量計(jì)出現(xiàn)小水珠，應(yīng)對干燥劑進(jìn)行烘干或更換。
7. 氨熱分解：氨熱分解可通過750℃左右的蛇形或螺旋形熱分解器實(shí)現(xiàn)。分解器的內(nèi)徑為8～12mm，由不銹鋼管制成，展開長度為1.5～2.5m。分解器可置于箱式電爐內(nèi)，也可用6kW左右的專用封閉式小型電爐。
8. 正壓狀態(tài)供氮：輸?shù)苈芬话愣急容^長，接頭多，而且常存在盤折現(xiàn)象。氨壓在管壁損失大，加之干燥器的阻力，使流量計(jì)進(jìn)氣端接頭等處有可能出現(xiàn)負(fù)壓。若這些地方不嚴(yán)密，空氣進(jìn)入流量計(jì)，混入爐內(nèi)，將造成零件滲氮層薄且硬度低等缺陷。所以流量計(jì)一側(cè)應(yīng)維持正壓，輸氨管路應(yīng)盡量短，各個(gè)接頭要牢固。
9. 采用合適的電壓點(diǎn)燃輝光后，采用逐步交替升高壓和氣壓的程序進(jìn)行清理和升溫，升溫速度一般以250～350℃／h為宜。升溫速度過快，會增加零件的變形量，因此易變形零件在400℃以上應(yīng)緩慢加熱。
10. 冷卻水要適量：保溫期間冷卻水不宜過大，爐體表面溫度維持在30℃左右即可。
11. 弱輝降溫：保溫階段結(jié)束后，提高爐內(nèi)真空度，減小電流，以不使輝光熄滅為度（傳統(tǒng)上是關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，切斷輝光電源，零件在滲氮?dú)夥罩须S爐冷卻）。待爐溫降到250℃以下時(shí)滅輝，再加大氨量和冷卻水量，冷卻0.5h。
12. 零件溫度降到200℃以下方可出爐。
13. 零件出爐后應(yīng)進(jìn)行外觀、硬度、滲氮深度、金相組織、變形量的檢查。
部分不銹鋼常用滲氮工藝規(guī)范見表3-21，離子滲碳時(shí)的氨氣流量可根據(jù)設(shè)備功率參照表3-22選取。
