農業機械零件表面硬度強化的新型輝光離子氮化工藝系統研究*

畢俊召 ，鄒紅亮

（吉林電子信息職業技術學院機械工程學院，吉林 吉林 132000）

大量試驗研究證明，輝光離子氮化技術是目前針對金屬材料表面硬度強化工藝的最佳技術[1]，其特點是工作溫度低、材料變形量微小，而且加工費相對比較低廉[2]。該技術起源于德國工業領域，而后在20世紀六七十年代得到快速發展，輝光離子氮化作為強化金屬表面硬度的一種特種加工工藝，是利用輝光放電現象將含氨氣分子電離后產生的氮離子轟擊零件表面加熱并進行氮化，獲得表面氮化膜的離子化學熱處理工藝[3-5]，廣泛適用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等金屬材料[6-7]。隨著農業的快速發展，農業生產對于農業機械的質量提出了更高的要求。為了提高農業機械零件的質量，促進農業機械整體水平的提高，增強市場競爭力，課題組對現有輝光離子氮化工藝系統進行改進，設計制造了全新的氨氣分子電解拆分式輝光離子氮化特種熱處理工藝爐。

1 輝光離子氮化技術改進概述

課題組針對目前應用的輝光離子氮化技術與工藝系統在實際運用過程中發現的弊端進行技術改造，以輝光離子氮化技術系統為基礎，研發真空式氨氣分子高壓電弧電解拆分器，與目前市場上廣泛使用的氮化工藝爐相融合并加以改造，制成全新的氨氣分子電解拆分式輝光離子氮化特種熱處理工藝爐[8-11]。從原理上對目前的輝光離子氮化技術進行升級改造，解決了加工效率低的問題。本設備可應用于農業機械零件表面的精密超硬強化加工，能夠在金屬表面形成一層厚度約0.3 mm 的氮化膜，硬度超過800HV0.1，大幅度提高了輝光離子氮化的加工效率，且精度高達IT6至IT5。

2 輝光離子氮化技術的改進原理與系統結構

本項目獨創的真空式氨氣分子高壓電弧電解拆分器的結構組成如下：在普通分子拆分器的內壁設計一層絕緣層，防止觸電引發生產事故，內部安裝分子與離子的過濾網，將拆分器內部分隔成兩個空間，上半部分容納氨氣分子，下半部分容納N-（氮離子）和H+（氫離子）。高壓電弧在容納氨氣分子的空間內持續放電，電解氨氣分子生成N-和H+，因為具有分子與離子過濾網的設計，電解后的N-和H+通過過濾網的網孔進入拆分器的下半部分空間，而氨氣分子由于體積大無法通過，容納N-和H+的下半部分空間在風泵的加壓下，N-和H+沿著離子入爐通道進入輝光離子氮化爐；并在離子入爐通道部分設計了氫離子強力吸附層，吸附層的材料成分是h-BN 納米空洞管及三乙炔苯共軛聚合物，嚴格保證了輸入輝光離子氮化爐的材料完全是氮離子，整個氨氣分子電解拆分器的結構設計精密巧妙，功能合理。氨氣分子電解拆分器系統結構如圖1所示。

圖1 氨氣分子電解拆分器系統結構原理圖

電解得到的N-和H+在風泵的加壓下進入離子入爐通道，經過氫離子吸附層對氫離子與氮離子的混合物再一次過濾后，所有的氮離子進入輝光離子氮化爐，源源不斷的N-附著于顯陽性的金屬材料表面并形成要求厚度的氮化膜，一般為0.3 mm，硬度極高，達800HV0.1 以上。輝光離子氮化特種熱處理工藝系統原理如圖2所示。

圖2 輝光離子氮化特種熱處理工藝系統原理圖

3 創新后的系統技術分析

輝光離子氮化系統創新改造的核心技術涉及材料化學、金屬材料學、金相學、特種熱處理技術、氣體電解拆分技術、離子過濾技術、離子吸附技術、氮化工藝技術、輝光發生技術、硬度檢測技術等多學科、跨領域的綜合專業知識。

分子與離子過濾網網孔的尺寸需與N-、H+以及氨氣分子的體積相配合，既能阻攔大體積的氨氣分子，又能順利過濾N-和H+，而N-、H+以及氨氣分子的體積極難測量，屬于微觀技術領域，因此過濾網的制造成本極為昂貴，并且難以仿制，這是本項目最大的技術亮點。因為過濾網的存在，氨氣分子無法通過，只能儲存于拆分器的上半部分，因此氨氣利用率極高，無法直接進入輝光離子氮化爐內，隨著氨氣源源不斷輸入拆分器，則會被電解成源源不斷的N-與H+，因此大大提高了氮化效率。

輝光離子氮化的最終目的是要在金屬材料表面形成要求厚度的氮化膜，需要的原料僅為氮離子，因此為了進一步提高氮化效率，需要將多余的氫離子消除。本項目在獨創的氨氣分子電解拆分器的末端融入了氫離子強力吸附技術，將吸附材料設置在離子入爐通道部分，吸附材料的成分是中科院大連化學物理研究所獨家研發的h-BN 納米空洞管及三乙炔苯共軛聚合物，對氫離子具有強力的吸附作用，經過對氫離子與氮離子混合物的再一次過濾，進入輝光離子氮化爐的原料全部為氮離子，進一步提高了氮化的效率。

氫離子強力吸附材料沒有設置在氨氣分子電解拆分器的離子容納腔，而是設置在離子入爐通道部分，這樣做的原因是：氨氣分子電解拆分器上半部分的氨氣分子在上萬伏的高壓電的轟擊下形成離子，下半部分的離子容納腔因為與上半部分的氨氣分子容納腔相連，僅用分子離子過濾網分隔，因此高壓電產生的熱量充滿整個氨氣分子電解拆分器的內部；離子容納腔內的溫度隨著工作時間的延續會逐漸升高，氫離子強力吸附材料是非金屬材質的柔性聚合物，耐熱性較差，如果設置在離子容納腔，雖然對氫離子的吸附效率更高，但是有被燒毀的巨大隱患，可能導致氫離子強力吸附材料損毀，失去氫離子吸附作用。

本項目消除氫離子沒有使用氫氧根離子以及碳酸鈉溶液，從價格角度考慮，使用這種純化學反應的方法消除氫離子是最為經濟、最為簡便的手段，但是無論使用氫氧根離子還是碳酸鈉溶液，與氫離子化合反應后都有共同的產物：水。由于氨氣分子電解拆分器在工作時，整個系統內部的工作電壓高達上萬伏，而水為導電介質，且對金屬部件具有銹蝕作用，更有沿著離子入爐通道進入輝光離子氮化爐的可能，引發爐內輝光放電后出現閃爆及爐外漏電的危險，損壞整個輝光離子氮化系統。因此，絕對不能用氫氧根離子以及碳酸鈉溶液消除氫離子。

本項目另一大技術亮點就是制造N-的氣源是氨氣，而不是氮氣。從理論上來說，如果將氨氣換成氮氣，則不會生成H+，而全是N-，而N-進入輝光離子氮化爐，加工效率可提升1~2 倍。但是氮氣是惰性氣體，組成氮氣分子的氮原子間的共價鍵結合得極其緊密，斷鍵能量極高，氮氣分子斷鍵可比擬于微觀世界的核爆反應，電解拆分氮氣分子所需的高壓電數值遠遠大于預期，會產生極高的溫度，并對整個分子拆分器各部分構件及整體的耐熱性提出嚴峻的考驗。因此，制造拆分器的材料成本將數倍甚至數十倍增長，而且能耗極高，加工成本陡然上升。而氨氣分子具有不穩定性，易于分解，N-、H+的共價鍵結合不緊密，甚至可以將N-、H+的共價鍵視為離子鍵，極易斷鍵，電解氨氣成本低，易于實現預期效果，因此使用氨氣最為合適。

該系統為一體純機械件的組合結構，主要是由氨氣氣源發生器、電控柜、氨氣分子拆分器、電源、管路、輝光離子氮化爐等部分組成，除電控柜外不涉及任何電子元件和其他易出故障的精密元件。因此，該系統質量穩定，故障率極低，持久耐用，更換容易，不存在電子元件頻繁故障以及機械系統疲勞失效等負面效應，并且該系統使用過程中綠色環保、節約能耗。

4 結語

農業機械零件經新型氮化處理爐離子氮化處理后，材料表面的硬度得到了顯著提高，從而使農業機械具有高的耐磨性、疲勞強度、抗蝕能力及抗燒傷性等。該技術推廣后可提高農業機械零件的質量，促進農業機械整體水平的提高，增強其市場競爭力；還可以推動農業機械生產行業、熱處理加工行業、特種材料加工行業等相關行業的經濟增長，間接增加社會就業崗位，促進社會一定數量剩余勞動力的就業，同時也帶動職業技能培訓行業的發展。