离子渗氮技术发展与设备改造

■ 杜树芳

一、历史及现状

我国离子渗氮技术的发展，借鉴了德国离子渗氮技术开发和生产应用的经验，自主研发和生产实践形成了我国大规模离子渗氮工业应用的局面。一般认为我国离子渗氮的发展，从1966年湖南湘江机器厂研制成功的小型离子渗氮装置开始，在20世纪70年代初开始工业应用，到80年代中期我国离子渗氮设备和工业应用规模已在世界上占据首位。

我们一直不断扩大离子渗氮自身优势，包括离子激活表面活化、渗氮速度快、化合物层相可控、低温渗氮、局部防渗方便、不锈钢渗氮、设备容易适应不同尺寸和不同批量工件、节能环保等；不断克服自身的不足，包括温度均匀度（尤其是复杂形状工件）、测温准确性、空心阴极效应等；不断在改进技术中发展和形成工业规模，从冷壁炉改进成热壁炉。设备从自制到专业厂生产，从手动控制到计算机控制，工艺从单一离子渗氮扩展到氮碳共渗、多元共渗、渗金属和渗涂覆合处理。

20世纪90年代初，我国离子渗氮行业出现低谷，旧式冷壁离子渗氮炉数量快速发展和设备更新改造跟不上工艺发展需要，但却催生了脉冲直流电源离子渗氮炉的诞生。21世纪风电产业的发展，又促进300~500A离子渗氮炉的大批投入生产，大大促进了离子渗氮的工业化。青岛丰东公司开发的高品质离子渗氮炉和活性屏离子渗氮炉，对我国离子渗氮产业向高端发展有重要意义。

伴随着离子渗氮技术的发展我国形成了离子渗氮产业，总的评价我国现在离子渗氮产业的工业化水平，能满足工业产品的一般要求，但离子渗氮高端质量产品的批量生产，从技术和装备上都还不适应产业化规模要求。因此，现在处于离子渗氮产业平稳发展的关键时期，必须充分发挥离子渗氮自身独有的优势，弱化短处，在渗氮表面强化技术和工艺上形成一整套独特的方案，开发出特种离子渗氮设备。工业应用应从“遍地开花”到重点突破，尤其向高端产品方向突破。

二、离子渗氮技术

1. 离子渗氮技术特点

离子渗氮技术的独有特点是离子轰击、溅射清理和离子激活（Plasma activation）。离子激活是形成优质渗氮层的根本保证，激活扩散贯穿在离子渗氮过程始终。离子激活使NH3、N2、H2原子分解产生活性离子，同时离子激活阴极工件表面产生大量微观缺陷和活化表面，在活化表面上反应形成氮化物层，因此控制和调整离子激活条件极其重要。深入研究辉光放电的轰击加热、溅射反应和激活效应，对开发和完善离子渗氮工艺很有意义。

我们在1982年研究了离子渗氮化合物层的形成过程，发现离子渗氮与气体渗氮由于形成化合物层的机理不同，产生的化合物层相结构也不同。如图1、图2所示，38CrMoAl钢离子渗氮化合物层由γ´+ε+α相组成，以γ´相为主，表面会有约25%α相，而气体渗氮化合物层由ε+γ´相组成，表面不含有α相。图3表明，如果预先经过氩气4h离子溅射激活处理，再经550℃×6h离子渗氮处理后，表面γ´相从55%降低到45%，表面α相从25%增加到42%，ε相从20%降低到13%，可见离子溅射激活处理的试样，渗氮时表面化合物层中α相数量增加，ε相减少，形成以γ´相为主和夹杂着α相的化合物层，有利于次表层氮的扩散，加速了扩散层的形成。

离子激活技术（Plasma activated technology）的应用：

（1）离子渗氮的后氧化 离子渗氮化合物层上形成致密的Fe3O4和Fe3（NO）4氧化层，可同时提高渗层的耐蚀性和耐磨性。采用离子激活技术可在离子渗氮化合物层表面产生大量微观缺陷和表面活化，在激活扩散过程中表面化合物发生转变ε-Fe2-3（NC）→Fe3（NO）4，Fe3（NO）4长大，形成致密的Fe3O4渗氮层。

图1 38CrMoAl钢离子渗氮后化合物层各相的分布

图2 38CrMoAl钢气体渗氮后化合物层各相的分布

图3 溅射处理和离子渗氮后化合物层各相的分布

（2）气体氮碳共渗表面的离子激活 德国Metaplas Ionon在1993年收购了Klockner Ionon后，利用科鲁克诺尔离子公司在离子渗氮技术方面的优势，把离子激活应用在气体氮碳共渗上，使气体氮碳共渗后的表面，经过离子激活后产生大量微观缺陷和活化，接着进行氧化，结果产生一个结合力很强的致密氧化层，这一工艺在欧洲已经大量应用。汽车球头销氮碳共渗后氧化的大批量生产是最成功的一例。Sulzer Metco公司于2001年收购了Metaplas Ionon，并把这一业务扩展到中国，于2008年在上海批量生产。

（3）韧性化合物层 大多数零件的渗氮，都要求形成一定厚度的化合物层，但由于渗氮化合物层脆性较大，往往限制了渗氮的应用。利用离子激活技术，可形成γ´或γ´+α组成的高韧性渗氮化合物层，大大推进了离子渗氮在高端技术要求方面的应用。

（4）不锈钢和高合金钢 这类钢表面有较致密的氧化膜，它阻碍渗氮时氮原子的扩散渗入，并且难以形成均匀的优质渗氮层。离子激活技术可确保利用离子轰击的溅射清理作用，清除表面的钝化膜，并通过离子激活使氮原子顺利进入表面内层，形成均匀的渗氮层。

2. 离子渗氮质量

离子渗氮技术发展，针对离子渗氮质量应更新观念，孤立地控制渗氮层的硬度与层深，限制了离子渗氮技术的全面发展。

为此，我们提出了离子渗氮质量的三层理念。

（1）化合物层 在渗氮过程中利用化合物层的形成可加速扩散层的形成。渗氮后形成渗氮层表面的化合物层是脆性相，合理地控制化合物层厚度和相结构，可以有效地提高渗氮表面耐磨性和耐蚀性，并可有效地减少化合物层脆性，适应不同零件的各种表面性能要求，提高渗氮件的强韧性和抗疲劳性。

（2）扩散层 选择合适材料和工艺可以得到无脉状组织的优质强韧化扩散层，渗氮层强化主要作用是扩散层，高度强化的扩散层表现为良好的硬度梯度和最佳的表面应力状态。扩散层深度是强化的另一重要指标，重载负荷下的渗氮扩散层应加厚，但是增加扩散层深度，会增大渗氮工件变形量。

（3）基体 渗氮基体组织及其均匀性是影响渗氮氮原子扩散和形成弥散强化相与良好扩散层的关键之一，常用调质钢基体合金元素的均匀分布，金相组织无偏析是形成优质扩散层的重要条件。基体强化不脆化是提高渗氮件承载能力基础，基体组织和应力状态影响渗氮件整体性能。因此，综合控制化合物层、扩散层和基体，充分发挥每一层的有利作用，以实现有效控制渗氮质量，获得优质强韧化渗氮件。

对渗氮结构零件的服役条件分类，至少有以下6种：①只要求零件表面耐磨。②要求零件表面耐磨兼抗疲劳性。③要求零件表面耐磨兼耐蚀性。④要求零件在重载下耐磨和较长使用寿命。⑤要求零件在轻载交变接触应力下长寿命工作。⑥要求零件在重载交变接触应力下长寿命工作。

根据上述服役条件，可对渗氮零件提出性能要求并进行主次排序：①耐磨性。②抗疲劳性。③耐蚀性。④韧性。⑤强度。

针对零件不同的服役条件，渗氮零件必须综合考虑渗氮化合物层、扩散层和基体强韧性的合理配置，充分发挥离子渗氮离子激活的优势，把三层理念充分运用到制订渗氮工艺中，提出了浅层渗氮、深层渗氮和深层渗氮硬化工艺，还有无化合物层、无脉状组织和韧性化合物层等特种离子渗氮工艺。

离子渗氮工艺应以性能优先，优先保证零件服役条件对性能要求排序中主要性能的要求，所采用的工艺应以低温优先，可实现离子渗氮的优势，获得优质渗氮层和强化的基体。以42CrMo钢为例，基体290~320HV，为达到渗氮层深0.40mm以上，可选450℃×50h，或480℃×30h或500℃×20h；为达到渗氮层深0.20mm以上，可选450℃×30h，或480℃×20h，或500℃×10h。

离子渗氮将以微变形、高性能、广应用和环保好的优势不断向前发展。

三、离子渗氮设备

离子渗氮设备包括离子渗氮炉、辅助设备和工艺装备。

1. 分类

离子渗氮炉按炉型分为堆放工件的钟罩式炉，吊挂工件的井式炉和侧端开门的卧式炉。我国学者刘志德在20世纪80年代首次开发了卧式和立式结合的多室炉新炉型，成功地用于离子渗碳和离子渗氮。离子渗氮炉按加热方式可分为冷壁结构和热壁结构两类。早期离子渗氮炉多为冷壁结构，工件温度不均匀，测温不准是设备弊端。随着近年来大多采用热壁结构，上述缺陷基本得到解决，结构更加完善，可以分区控温并进行对流均热和快速冷却；脉冲直流电源解决合理功率匹配供电，并有效限制弧光放电和空心阴极放电，实现密装炉和改善温度均匀性。

（1）冷壁炉 普通冷壁离子渗氮炉采用双层水冷壁，内设双层隔热屏，隔热减少热损失，隔热屏内壁温度一般在100~150℃，工件与内壁温差在350~400℃，温差大、热损失大是造成工件温度不均匀的重要原因，靠合理装炉可调整工件温度均匀性。

普通冷壁炉炉温不均，上低下高，外低内高，如果采用冷氨供气，由于氨分解吸热更加剧了工件温度不均，因此合理装炉和正确供气，对冷壁炉满装炉和长工件可以改善温度均匀性。对于单件或小批量生产，可利用冷壁炉内炉温不均和炉温分布特点处理不同质量要求的不同工件。

经过改进的冷壁离子渗氮炉和采用完备的技术保障，也可达到先进设备水平，德国Nitrion技术公司具有三十多年冷壁炉制造和使用经验，正在全球推销冷壁离子渗氮设备和技术。

（2）保温式热壁炉 双层水冷壁内去掉隔热屏，改为耐火材料保温层，由于保温层蓄热和隔热，使炉内保温层内壁表面温度达到300~450℃，大大减少了与工件之间的温差，实用结果大大改善了工件温度均匀性。

（3）辅助加热式热壁炉 在真空室内或外设置辅助电阻加热源，用以加热工件和调整工件温度，是目前最常用的热壁炉。我们研制了一种辅助阴极元件加热的可调温的热壁炉对改造国内近千台旧式冷壁离子渗氮炉，达到接近辅助电阻加热的热壁炉的效果，有推广价值。

2. 辅助阴极加热式热壁炉

（1）现状 国内近千台老式冷壁炉多数在使用，适用于单件小批量生产，靠手工和技巧控制质量，但很不稳定，对大批量生产、满装炉、混装炉和长工件难以保证质量稳定和可靠。改造这些老式冷壁炉迫在眉睫。

（2）改造方案 改造方案力求简单，原冷壁炉隔热屏不动，不改变原有设备的直流电源，不需另加低压交流辅助电源，只在炉内增加一个辅助阴极罩，中心增加一个辅助阴极柱（适用于大直径炉膛），用辅助阴极元件加热，形成新型热壁炉，减少上下、内外工件温差，增加渗氮均匀性。

辅助阴极加热元件为加热管，内孔直径10~18mm，长15~20mm，壁厚1~3mm，实物如图4所示。加热元件安装结构如图5所示。

图4 加热管外形

图5 加热管安装示意

图6 加热管内孔辉光叠加实况

加热管内孔尺寸选择原则是在炉内工作气压下，保证不产生空心阴极放电现象，利用短管内孔辉光放电热影响区叠加的加热效应，使辅助阴极罩内表温度达到400~550℃。图6为加热管内孔辉光放电热影响区叠加实况。加热元件安装的密度用以调节炉内上下或内外辅助加热功率，达到改善温度均匀性的目的。

（3）设计原理 利用在炉内工件外围或中心，布置同一直流电源的不同密度的辅助阴极加热元件，对工件实行可调温辅助加热，辅助阴极罩内壁温度达400~550℃，改善炉内工件内外和上下温度均匀性。①减少工件对炉壁温差。②辅助阴极罩加热元件设置和罩结构布置，保证炉内从下至上辅助加热功率加大，形成辅助加热上高下低的变化温度场，补偿炉内上部工件温度偏低的现象。③充分利用辉光放电功率，一个直流电源完成辅助加热和工件加热两项功能。

（4）试验效果 我们在LDMZ-150型脉冲离子渗氮炉进行了辅助阴极加热改装试验。

该炉底盘尺寸700mm，两炉节高度为1000mm和2000mm，组合高度3000mm。设计辅助阴极加热罩内径为660mm，单节高度为900mm和1050mm，两节组合高度为1950mm。辅助阴极加热罩内加热元件和组装结构如图4和图5所示，外形如图7、图8和图9所示。

试验方法：在直径700mm炉底盘上从外缘沿半径方向距100mm和200mm，各立放一根φ50mm×810mm的圆棒，上面按图10钻4个直径16mm×12mm沉孔，用于埋放40Cr钢试块φ15mm×11mm，每个沉孔埋放一个试块。另放一个φ50mm×810mm圆棒作为配炉件（见图11）。

试块制备：φ18mm×500mm，40Cr钢棒料。

图7 单节辅助阴极罩外形

图8 单节辅助阴极罩装炉外形

图9 双节辅助阴极罩装炉外形(φ700mm×1950mm)

图10 测试试块安放位置

图11 底盘上试块安放圆棒位置

经850℃油淬和550℃回火后，调质硬度为28~32HRC，再加工成φ15mm×11mm试块，两端面磨光后放入沉孔中作渗氮试验。试块渗氮后在直径15mm外端面上测定不同载荷的维氏硬度，外圆柱面径向磨去3mm后断面测维氏硬度梯度。

试验方案：采用单节辅助阴极罩和单节渗氮炉炉筒。每炉装φ50mm×810mm试棒3根，两根用于安放试块，试块从上至下按顺序编号，第一炉加辅助阴极罩，试块编号外圈上至下：1、2、3、4；内圈5、6、7、8，第二炉不加辅助阴极罩，试块编号外圈上至下：01、02、03、04；内圈05、06、07、08。两炉处理工艺相同：520℃×8h，250Pa，NH3。

试验结果：如表1、表2所示。

第一炉：520℃×8h，560V，21A，250Pa，0.94SLM阴阳极距45mm。

第二炉：520℃×8h，710V，5A，250Pa，0.92SLM 阴阳极距175mm。

炉壁温度测量：520℃×8h保温阶段，用插入热电偶测量第一炉辅助阴极罩上部内壁温度为528~516℃，第二炉隔热屏上部内壁温度为120~140℃。

试验结果分析：采用9.8N、98N、294N（1kg、10kg、30kg）不同载荷的维氏硬度值，代表渗氮层硬度梯度，可清楚显示工件各处温度不均带来的扩散层硬化效果差异，温度高硬度梯度较好，而温度低，扩散差，硬度梯度差，表现为重载荷下维氏硬度显示差异加大，只有温度均匀，重载荷下维氏硬度值才一致。

从表1数据可看出，有辅助阴极加热的第一炉，无论是外圈还是内圈，无论是重载还是轻载维氏硬度都是均匀的，尤其表现外圈的均匀性大于内圈，因此试验证明了辅助阴极加热明显改善了炉内工件温度均匀性，而以外圈装炉工件温度均匀性最好。对比第二炉无论外圈还是内圈，上部试块硬度明显低于下部，维氏硬度载荷提高，硬度差距明显加大，表明无辅助阴极加热造成上下试块温度差距很大，上部温度明显偏低，外圈上下试块硬度差110HV30，内圈上下试块硬度差102HV30，对比有辅助阴极加热的第一炉外圈上下试块硬度差4HV30，内圈上下试块硬度差17HV30。上述两炉对比数据表明，辅助阴极加热明显改善了炉内工件的温度均匀性。

表1 40Cr钢试块渗氮硬度（520℃×8h）

表2 40Cr钢不同位置试块渗氮硬度梯度（520℃×8h）

直接用硬度梯度测试验证了上述不同载荷维氏硬度测定的结果。表2表明，有辅助阴极加热的第一炉内圈和外圈上下试块硬度梯度0.15mm内硬度值基本一致，0.02mm与0.10mm最大硬度差只有60HV0.1，渗氮层深在0.35~0.50mm，说明内外和上下温度是均匀的。而无辅助阴极加热的第二炉上部60mm内试块表面下0.02mm硬度681~748HV0.1，但表面下0.05mm硬度就降至542~586HV0.1, 0.02mm与0.10mm最大硬度差达到347HV0.1，表明上部温度偏低，扩散不足造成；表明炉内上下内外温差很大，上下内外试块硬度梯度差别很大，渗层差异也很大为0.15~0.40mm。

试验和计算表明，单节辅助阴极罩耗电15~20A，双节辅助阴极罩耗电30~40A，该炉最大输出150A，双节满装炉，辅助阴极加热耗电大致为直流电源的1/5～1/3。这比电阻加热的辅助加热炉，另增加一个交流电源耗电要少，或者相当。常用150A辅助电阻加热离子渗氮炉的电阻加热电流为60A。

上述试验揭示了冷壁离子渗氮炉温度的不均匀度，表明采用热壁离子渗氮炉是提高工件温度均匀性的关键。

推广价值：当前大多数旧式离子渗氮炉没有辅助加热，工件处理质量不均不稳，我们提出的可调温辅助阴极加热方案，简单易行，适合改造用于满装炉、混装炉、大批量生产和长工件处理的离子渗氮炉。改造投资少，见效快，对充分发挥旧式离子渗氮炉作用，提高离子渗氮产品质量有积极意义。

氮碳共渗及后氧化是20世纪末开发的一种耐磨与耐蚀兼优的复合热处理技术，只有在热壁炉中才能实现炉内氧化。旧式冷壁离子渗氮炉，由于存在冷壁无法进行炉内离子氧化处理，采用辅助阴极加热的热壁离子渗氮炉用于离子氮碳共渗及后氧化处理，可以实现均匀的氧化，如图12所示φ50mm×810mm长棒上下均匀氧化外观。

图12 φ50×810mm圆棒离子氮碳共渗和炉内离子氧化后的外观

四、温度均匀度测量方法

热处理炉有效加热区温度均匀度的测量方法已有国家规定（GB/T9452—2012，GB/T30825—2014），但是离子渗氮炉温度均匀度的测量方法国内外至今没有正式建立，严重影响了离子渗氮炉的生产和质量控制。

离子渗氮炉温度均匀度不是指炉内空间的温度均匀性，而是指有效工作空间内工件的温度均匀性，这一点不同于普通热处理炉，因此温度均匀度的测量方法也应不同。我们所开发的可调温辅助阴极热壁离子渗氮炉，同时开发了一种测量温度均匀度的方法，即用两根标准测试件测量炉膛内区、外区、上区、中区和下区温度均匀度，可用内外上中下6点试块硬度法或用内外上中下6点热电偶实测温度法测定。

冷壁离子渗氮炉难以保证温度均匀度±10℃，而热壁离子渗氮炉可以达到小于±10℃。

当设备有热电偶插入孔和条件具备时可用热电偶法在测试件上测量。采用试块多点放置，测量各试块不同载荷维氏硬度值的差异可判断工件温度均匀度，在表2和表3中已有完整的数据。这是一个简便的方法，建议通过试验建立一套可行的标准测量方法。

五、结语

离子渗氮是等离子体热处理的一个分支，更是表面热处理的一个小分支，它具有微变形和特殊性能等特点，是其他表面热处理无法替代的，充分发挥离子渗氮的潜力，充分运用离子渗氮技术的优势，为我国经济和国防建设贡献一点力量，是我们同行的共识。

[1] 高仰之，刘英祺.离子渗氮热处理技术及设备发展历程与展望[J].金属热处理，2014，39（1）：66-74.

[2] 杜树芳，黄辉.氮化钢离子氮化化合物层形成过程的研究[J].金属热处理. 1984，（6）6：7-11.

[3] 杜树芳，巢云飞.离子氮氧复合处理的原理及应用[J].金属热处理，2010，35（4）：87-89.

[4] J.Crummenauer,Tauf dem Brinke,T.Gkrug.Corrosion protection by plasma heat treatment IONITOX® ，2001（9）：39-42(Metaplas Ionon).

[5] 杜树芳，巢云飞，杜恒山.汽车模具的离子渗氮[J].金属热处理，2006，31（11）：81-85.

[6] 杜树芳.深层渗氮硬化技术[J].金属热处理，2017，42（6）：130-133.

[7] 高春英.第十一次全国热处理大会论文集[C].机械工程学会热处理学会，2015：50-52.

[8] 杜树芳.辅助阴极加热结构，中国专利：201820329913.1.