活性屏離子氮化和脈沖離子氮化的對比試驗研究

摘 要：為解決航空發動機零件在滲氮生產過程中采用脈沖離子氮化工藝而產生的邊緣效應等問題，該文在氨氣氣氛下對38CrMoAl鋼進行活性屏離子氮化處理及脈沖離子氮化，并對滲層的組織結構，滲層厚度等進行了分析。試驗結果表明相同的工藝參數下活性屏離子氮化處理工藝會以得到相似的滲氮效果，可以替代脈沖離子氮化工藝。

關鍵詞：活性屏離子滲氮 脈沖離子氮化 38CrMoAl鋼

中圖分類號：TG156.82 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

自離子滲氮技術問世以來，人們一直努力嘗試利用滲氮技術提高齒輪的使用壽命，齒輪是傳遞動力的機械零件，尤其是高速高載荷條件下工作的航空發動機齒輪，要求齒輪傳遞能力大、耐磨性好和抗疲勞強度高[1]。由于普通直流離子滲氮存在固有的缺點，如溫度不均勻、陰極濺射、工件打弧等，使其在處理齒輪時受到限制[2]。而活性屏在滲氮處理過程中，整個工件被金屬屏包圍著，工件處于懸浮狀態[3]，離子轟擊金屬屏而不是工件表面，從而解決了直流離子滲氮技術多年來一直存在的邊緣效應、空心陰極效應、打弧等問題，可以處理不同形狀的工件，能方便地測量工件的溫度，控制滲氮工藝過程[4-6]。因此，該文就活性屏離子滲氮和傳統的離子滲氮作對比，研究在相同工藝條件下能否代替傳統離子滲氮處理方法，并希望應用于某機型的生產。

1 試驗方法

試驗在輝光離子氮化爐內進行，試驗氣體為氨氣。爐內放置兩個試樣，材質為38CrMoAl，試樣A放置在自制活性屏內，試驗B放在陰極盤上。試樣裝爐前先用丙酮，酒精清洗干凈后干燥立即裝入爐內。抽真空后通入 NH3 清洗，反復三次，盡量排除爐內的空氣和器壁吸附的氣體。然后通低氣壓，加低電壓進行打弧，直至輝光穩定。調節電壓到試驗所需電壓，靠輝光放電加熱，待溫度升至設定值后氮化5小時。試驗結束后關閉電源和氨氣，試樣在NH3 氛圍內隨爐冷卻至室溫取出。

2 試驗結果與分析

2.1 金相觀察

圖1是經過活性屏離子滲氮和脈沖離子滲氮后的試樣的金相組織圖對比。從以上的金相組織對比可以看出，在相同工藝參數下，經過活性屏離子滲氮處理后的金相組織與直流離子滲氮的效果相當的接近，甚至還要優于直流離子滲氮，其主要原因在于：直流離子滲氮過程中，離子濺射主要發生在試樣的表面，強烈的濺射會影響活性氮原子向基體內部的滲入。

而在活性屏離子滲氮中完全可以避免這個缺點，濺射主要發生在活性屏上，只有少量的濺射發生在處于絕緣狀態的工件上，不但不會影響活性氮原子的滲入，微量的濺射還有利于對工件表面的清洗，制造表面的缺陷便于氮原子的吸收。

2.2 滲層能譜對比分析

從圖2、3可以看出，在工藝條件下，經活性屏離子氮化和直流離子氮化后的試樣擴散層中，氮元素的含量相當。

2.3 XRD對比分析

對滲氮后的試樣做X射線衍射分析，圖4是試樣A的XRD圖譜，圖5是試樣B的XRD圖譜。

從以上兩圖可以看出，在同一工藝參數條件下經兩種方式滲氮處理后，在試樣表面均能得到Fe3N、Fe4N。

2.4 顯微硬度梯度對比

表2是在相同工藝參數條件下經兩種裝置滲氮后試樣的斷面硬度梯度值。圖6是硬度曲線圖。

經活性屏離子氮化和直流離子氮化后的試樣的顯微硬度曲線對比圖可以看出，在相同工藝參數條件下，經兩種工藝方式處理后的試樣的擴散層厚度相當。

3 結語

在氨氣氣氛下和相同工藝參數下活性屏離子氮化處理工藝會得到相似的滲氮效果，可以替代脈沖離子氮化工藝。

參考文獻

[1]謝善驍.國外齒輪熱處理的進展[J].航空制造技術，1978，12.

[2]潘鄰.我國離子化學熱處理技術的現狀與展望.熱加工，2005（11）：8-11.

[3]J.Georges.TC plasma nitriding.US Patent，5989363，1999.

[4]彭其鳳，丁洪太.熱處理工藝及設計[M].上海交通大學出版社，1994：128-129.

[5]張元昌，徐在峰.離子氮化技術的歷史、發展及展望[J].山西機械，1994（2）：7-9.

[6]馬貴成.離子氮化技術及應用[J].煤礦機械，2004（7）：69-70.