我国离子化学热处理技术的现状与展望.docx

我国离子化学热处理技术的现状与展望??一、概述? ??离子化学热处理是置于低压容器内的工件，在辉光放电的作用下，带电离子轰击工件表面，使其温度升高，实现所需原子渗扩进入工件表层的一种化学热处理方法。与常规化学热处理相比，离子化学热处理具有许多突出的特点：渗层质量好、工艺可控性强、工件变形小、处理温度范围宽、易于实现局部防渗；渗速快、生产周期短，可节约时间15％～50％；热效率高、工作气体耗量少，一般可节能30％以上、省气70％～90％；无烟雾、废气污染，处理后工件和夹具洁净，工作环境好；柔性好，便于生产线组合，实现自动化。正因为如此，离子化学热处理一直是近几十年来热处理技术发展的一个热点，并在不太长的时间内迅速得到了推广应用。??? 20世纪30年代，德国学者B.Berghous首先发现了在辉光放电电场(即等离子区)进行表面硬化的优越性，并采用此工艺进行了渗氮处理，取得了第一个离子渗氮发明专利；40年代，该技术在军事领域获得应用；50年代后，经原西德学者的进一步研究，Kl?cknerIonon公司(原西德)于1967年实现工业应用。60年代末期，我国开始了离子渗氮技术的研究，内容涉及工艺、设备、性能及基础理论等广泛的领域，并实现了试制设备到生产应用设备的过渡，到1980年，我国已拥有离子渗氮炉400余台，居世界第一。目前，我国离子渗氮炉的保有量已超过1700台，并仍以每年60～80台的速度递增。总的来讲，在离子化学热处理领域，我国已跻身于国际先进水平行列。??? 涉及到离子化学热处理研究开发的内容较多，既有基础理论、组织和性能，也有设备开发；在工艺上的内容更多，几乎化学热处理中所需渗入的元素，都可在离子轰击条件下实现。世界上不同的国家根据所处的工业状况和投资背景，在离子化学热处理的各个方面做了大量的工作。据资料统计，前苏联、中国、美国、英国、德国、日本和法国的研究工作处于领先地位。特别是美国和英国在离子渗碳、钛合金离子渗氮研究方而一路领先；前苏联在离子渗硼方面尤为突出；而我国在离子多元共渗、离子渗金属方面处于领先地位。但从总体来看，技术上最为成熟的还是离子渗氮。? ??二、离子化学热处理技术的现状? ??1．离子化学热处理的机理与组织性能研究? ??离子化学热处理是在低温等离子体中进行的，存在各种高能离子、高能电子以及高能中性原子等粒子，因而决定了离子化学热处理反应的复杂性。关于离子化学热处理的机理，目前公认观点大致有以下几种：??? (1)溅射与沉积理论这是1965年J.K?lbel在研究和完善B.Berghous的离子轰击模型的基础上提出来的，他认为：离子渗氮时，渗氮层是通过阴极溅射反应而形成的。??? (2)分子离子理论? 1973年，M.Hudis根据4340钢在溅射很弱的情况下，仍然可以得到显著的硬化效果这一事实得出：在离子渗氮时，虽然溅射很明显，但这不是主要的控制因素，对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化的结果，并认为氮离子也能渗氮。??? (3)中性氮原子模型? 1974年，G.Tibbetts在N2-H2混合气离子渗氮时，于试样外加一网状栅极，以滤掉轰向试样的正离子，只让不带电荷的中性粒子到达试样。试验表明，有、无栅极的状况下，渗氮效果相同。因此，G.Tibbetts认为，对离子渗氮起作用的实质上是中性氮原子，NH2+离子的作用是次要的。??? (4)活性氮原子碰撞离析理论这是我国学者在20世纪80年代提出的，他们认为，活性氮原子在离子渗氮过程中起决定作用。??? 从上述几种离子化学热处理机理不难看出，各种结论都是在相对独立的条件下得到的，过于强调某一种粒子的作用，弱化了其他粒子的贡献。离子渗氮显然不同于气体渗氮，等离子场组成复杂，各种粒子交互作用，共同完成了离子渗氮过程。在一般状况下(而不是某种特定的试验条件)，哪一种粒子的贡献更大，仍然是值得深入研究的。??? 对离子化学热处理后所获得的各种渗层组织与性能的研究，我国的科技工作者一直没有停止这方面的工作。由于处理过程在低压无氧化的气氛中进行，较之于常规化学热处理，其渗层质量更好，综合力学性能更高，特别是离子渗氮层组织结构可控的特点，在实际生产中得到广泛应用。如通过调整炉气成分可获得耐蚀性较好的单一ε相结构或韧性较高的单一γ′相结构的化合物层；为减小高速钢渗氮处理后脆性增加的问题，可改变工艺参数，以获得无化合物层的渗层结构等。近几年，许多单位又在复合处理方面下了较大功夫，尤其是对离子渗硫(及其复合处理)层的组织和性能进行了大量研究，使得该项技术得以长期发展。?? ?2．离子化学热处理工艺? ??(1)离子渗氮及氮碳共渗? 离子渗氮是离子化学热处理中研究最多、技术最成熟、应用最广泛的工艺。通过调节电压、电流、炉气压力和成分、保温温度和保温时间等工艺参数，可对多种材