小編注：關(guān)于離子滲氮，你如果不懂或者想了解一下，這一篇文章是必看的。如果你懂離子滲氮，這篇文章也許會(huì)給你很大的參看價(jià)值，里面有相關(guān)設(shè)備改造的思路。
一、歷史及現(xiàn)狀
我國(guó)離子滲氮技術(shù)的發(fā)展，借鑒了德國(guó)離子滲氮技術(shù)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐形成了我國(guó)大規(guī)模離子滲氮工業(yè)應(yīng)用的局面。一般認(rèn)為我國(guó)離子滲氮的發(fā)展，從1966年湖南湘江機(jī)器廠研制成功的小型離子滲氮裝置開(kāi)始，在20世紀(jì)70年代初開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用，到80年代中期我國(guó)離子滲氮設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用規(guī)模已在世界上占據(jù)首位。
回顧五十多年來(lái)離子滲氮發(fā)展史，應(yīng)該好好總結(jié)一下。我們是在不斷擴(kuò)大離子滲氮自身優(yōu)勢(shì)，包括離子激活表面活化、滲氮速度快、化合物層相可控、低溫滲氮、局部防滲方便、不銹鋼滲氮、設(shè)備容易適應(yīng)不同尺寸和不同批量工件、節(jié)能環(huán)保等；不斷克服自身的不足，包括溫度均勻性（尤其是復(fù)雜形狀工件）、測(cè)溫準(zhǔn)確性、空心陰極效應(yīng)等；不斷在改進(jìn)技術(shù)中發(fā)展和形成工業(yè)規(guī)模，從冷壁爐改進(jìn)成熱壁爐。設(shè)備從自制到專業(yè)廠生產(chǎn)，從手動(dòng)控制到計(jì)算機(jī)控制，工藝從單一離子滲氮擴(kuò)展到氮碳共滲、多元共滲、滲金屬和滲涂復(fù)合處理。
20世紀(jì)90年代初，我國(guó)離子滲氮行業(yè)出現(xiàn)低谷，舊式冷壁離子滲氮爐數(shù)量快速發(fā)展和設(shè)備更新改造跟不上工藝發(fā)展的需要，但是卻催生了脈沖直流電源離子滲氮爐的誕生。21世紀(jì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，又促進(jìn)300~500A離子滲氮爐的大批投入生產(chǎn)，大大促進(jìn)了離子滲氮的工業(yè)化。青島豐東公司開(kāi)發(fā)的高品質(zhì)離子滲氮爐和活性屏離子滲氮爐，對(duì)我國(guó)離子滲氮產(chǎn)業(yè)向高端發(fā)展有著重要意義。
我國(guó)伴隨著離子滲氮技術(shù)的發(fā)展形成了離子滲氮產(chǎn)業(yè)，總的評(píng)價(jià)我國(guó)現(xiàn)在離子滲氮產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化水平，已能滿足工業(yè)產(chǎn)品的一般要求，但是離子滲氮高端質(zhì)量產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，從技術(shù)和裝備上都還不適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模要求。因此，現(xiàn)在處于離子滲氮產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，必須充分發(fā)揮離子滲氮自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，弱化短處，在滲氮表面強(qiáng)化技術(shù)和工藝上形成一整套獨(dú)特的方案，開(kāi)發(fā)出特種離子滲氮設(shè)備。工業(yè)應(yīng)用應(yīng)從“遍地開(kāi)花”到重點(diǎn)突破，尤其向高端產(chǎn)品方向突破。
二、離子滲氮技術(shù)
1.離子滲氮技術(shù)特點(diǎn)
離子滲氮技術(shù)的獨(dú)有特點(diǎn)是離子轟擊、濺射清理和離子激活（Plasmaactivation）。離子激活是形成優(yōu)質(zhì)滲氮層的根本保證，激活擴(kuò)散貫穿在離子滲氮過(guò)程始終。離子激活使NH3、N2、H2原子分解產(chǎn)生活性離子，同時(shí)離子激活陰極工件表面產(chǎn)生大量微觀缺陷和活化表面，在活化表面上反應(yīng)形成氮化物層，因此控制和調(diào)整離子激活條件是極其重要的。深入研究輝光放電的轟擊加熱、濺射反應(yīng)和激活效應(yīng)，對(duì)開(kāi)發(fā)和完善離子滲氮工藝很有意義。
我們?cè)?982年研究了離子滲氮化合物層的形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)離子滲氮與氣體滲氮由于形成化合物層的機(jī)理不同，產(chǎn)生的化合物層相結(jié)構(gòu)也不同。如圖1、圖2所示，38CrMoAl鋼離子滲氮化合物層由γ′+ε+α相組成，以γ′相為主，表面會(huì)有約25%α相，而氣體滲氮化合物層由ε+γ′相組成，表面不含有α相。圖3表明，如果預(yù)先經(jīng)過(guò)氬氣4h離子濺射激活處理，再經(jīng)550℃×6h離子滲氮處理后，表面γ′相從55%降低到45%，表面α相從25%增加到42%，ε相從20%降低到13%，可見(jiàn)離子濺射激活處理的試樣，滲氮時(shí)表面化合物層中α相數(shù)量增加，ε相減少，形成以γ′相為主和夾雜著α相的化合物層，有利于次表層氮的擴(kuò)散，加速了擴(kuò)散層的形成。
圖1 38CrMoAl鋼離子滲氮后化合物層各相的分布
圖2 38CrMoAl鋼氣體滲氮后化合物層各相的分布
圖3 濺射處理和離子滲氮后化合物層各相的分布
離子激活技術(shù)（Plasmaactivated technology）的應(yīng)用：
（1）離子滲氮的后氧化
離子滲氮化合物層上形成致密的Fe3O4和Fe3（NO）4氧化層，可以同時(shí)提高滲層的耐腐蝕性和耐磨性。采用離子激活技術(shù)可以在離子滲氮化合物層表面產(chǎn)生大量微觀缺陷和表面活化，在激活擴(kuò)散過(guò)程中表面化合物發(fā)生轉(zhuǎn)變?chǔ)? Fe2-3（NC）→Fe3（NO）4，Fe3（NO）4長(zhǎng)大，形成致密的Fe3O4滲氮層。
（2）氣體氮碳共滲表面的離子激活
德國(guó)Metaplas Ionon在1993年收購(gòu)了KlocknerIonon后，利用科魯克諾爾離子公司在離子滲氮技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，把離子激活應(yīng)用在氣體氮碳共滲上，使氣體氮碳共滲后的表面，經(jīng)過(guò)離子激活后產(chǎn)生大量微觀缺陷和活化，接著進(jìn)行氧化，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)結(jié)合力很強(qiáng)的致密氧化層，這一工藝在歐洲已經(jīng)大量應(yīng)用。汽車球頭銷氮碳共滲后氧化的大批量生產(chǎn)是最成功的一例。SulzerMetco公司于2001年收購(gòu)了MetaplasIonon，并把這一業(yè)務(wù)擴(kuò)展到中國(guó)，于2008年在上海批量生產(chǎn)。
（3）韌性化合物層
大多數(shù)零件的滲氮，都要求形成一定厚度的化合物層，但由于滲氮化合物層脆性較大，往往限制了滲氮的應(yīng)用。利用離子激活技術(shù)，可以形成γ′或γ′+α組成的高韌性滲氮化合物層，大大推進(jìn)了離子滲氮在高端技術(shù)要求方面的應(yīng)用。
（4）不銹鋼和高合金鋼
這類鋼表面有較致密的氧化膜，它阻礙滲氮時(shí)氮原子的擴(kuò)散滲入，并且難以形成均勻的優(yōu)質(zhì)滲氮層。離子激活技術(shù)可確保利用離子轟擊的濺射清理作用，清除表面的鈍化膜，并通過(guò)離子激活使氮原子順利進(jìn)入表面內(nèi)層，形成均勻的滲氮層。
2.離子滲氮質(zhì)量
離子滲氮技術(shù)發(fā)展，針對(duì)離子滲氮質(zhì)量應(yīng)更新觀念，孤立地控制滲氮層的硬度與層深，限制了離子滲氮技術(shù)的全面發(fā)展。
為此，我們提出了離子滲氮質(zhì)量的三層理念。
（1）化合物層
在滲氮過(guò)程中利用化合物層的形成可加速擴(kuò)散層的形成。滲氮后形成滲氮層表面的化合物層是脆性相，合理地控制化合物厚度和相結(jié)構(gòu)，可以有效地提高滲氮表面耐磨性和耐蝕性，并可有效地減少化合物層脆性，適應(yīng)不同零件的各種表面性能要求，提高滲氮件的強(qiáng)韌性和抗疲勞性。
（2）擴(kuò)散層
選擇合適材料和工藝可以得到無(wú)脈狀組織的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)韌化擴(kuò)散層，滲氮層強(qiáng)化主要作用是擴(kuò)散層，高度強(qiáng)化的擴(kuò)散層表現(xiàn)為良好的硬度梯度和最佳的表面應(yīng)力狀態(tài)。擴(kuò)散層深度是強(qiáng)化的另一重要指標(biāo)，重載負(fù)荷下的滲氮擴(kuò)散層應(yīng)加厚，但是增加擴(kuò)散層深度，會(huì)增大滲氮工件變形量。
（3）基體
滲氮基體組織及其均勻性是影響滲氮氮原子擴(kuò)散和形成彌散強(qiáng)化相與良好擴(kuò)散層的關(guān)鍵之一，常用調(diào)質(zhì)鋼基體合金元素的均勻分布，金相組織無(wú)偏析是形成優(yōu)質(zhì)擴(kuò)散層的重要條件。基體強(qiáng)化不脆化是提高滲氮件承載能力基礎(chǔ)，基體的組織和應(yīng)力狀態(tài)影響滲氮件整體性能。
因此，綜合控制化合物層、擴(kuò)散層和基體，充分發(fā)揮每一層的有利作用，以實(shí)現(xiàn)有效控制滲氮質(zhì)量，獲得優(yōu)質(zhì)強(qiáng)韌化滲氮件。
對(duì)滲氮結(jié)構(gòu)零件的服役條件分類，至少有以下6種：
①只要求零件表面耐磨。
②要求零件表面耐磨兼抗疲勞性。
③要求零件表面耐磨兼耐蝕性。
④要求零件在重載下耐磨和較長(zhǎng)使用壽命。
⑤要求零件在輕載交變接觸應(yīng)力下長(zhǎng)壽命工作。
⑥要求零件在重載交變接觸應(yīng)力下長(zhǎng)壽命工作。
根據(jù)上述服役條件，可以對(duì)滲氮零件提出性能要求并進(jìn)行主次排序：
①耐磨性。
②抗疲勞性。
③耐蝕性。
④韌性。
⑤強(qiáng)度。
針對(duì)零件不同的服役條件，滲氮零件必須綜合考慮滲氮化合物層、擴(kuò)散層和基體強(qiáng)韌性的合理配置，充分發(fā)揮離子滲氮離子激活的優(yōu)勢(shì)，把三層理念充分運(yùn)用到制定滲氮工藝中，提出了淺層滲氮、深層滲氮和深層滲氮硬化工藝，還有無(wú)化合物層、無(wú)脈狀組織和韌性化合物層等特種離子滲氮工藝。
離子滲氮工藝應(yīng)以性能優(yōu)先，優(yōu)先保證零件服役條件對(duì)性能要求排序中主要性能的要求，所采用的工藝應(yīng)以低溫優(yōu)先，可實(shí)現(xiàn)離子滲氮的優(yōu)勢(shì)，獲得優(yōu)質(zhì)滲氮層和強(qiáng)化的基體。以42CrMo鋼為例，基體290~320HV，為達(dá)到滲氮層深0.40mm以上，可選450℃×50h，或480℃×30h或500℃×20h；為達(dá)到滲氮層深0.20mm以上，可選450℃×30h，或480℃×20h，或500℃×10h。
離子滲氮將以微變形、高性能、廣應(yīng)用和環(huán)保好的優(yōu)勢(shì)不斷向前發(fā)展。
三、離子滲氮設(shè)備
離子滲氮設(shè)備包括離子滲氮爐、輔助設(shè)備和工藝裝備。
1.分類
離子滲氮爐按爐型分為堆放工件的鐘罩式爐，吊掛工件的井式爐和側(cè)端開(kāi)門的臥式爐。我國(guó)學(xué)者劉志德在20世紀(jì)80年代首次開(kāi)發(fā)了臥式和立式結(jié)合的多室爐新?tīng)t型，成功地用于離子滲碳和離子滲氮。離子滲氮爐按加熱方式可分為冷壁結(jié)構(gòu)和熱壁結(jié)構(gòu)兩類。早期離子滲氮爐多為冷壁結(jié)構(gòu)，工件溫度不均，測(cè)溫不準(zhǔn)是設(shè)備弊端。隨著近年來(lái)大多采用熱壁結(jié)構(gòu)，上述缺陷基本得到解決，結(jié)構(gòu)更加完善，可以分區(qū)控溫并進(jìn)行對(duì)流均熱和快速冷卻；脈沖直流電源解決合理功率匹配供電，并有效限制弧光放電和空心陰極放電，實(shí)現(xiàn)密裝爐和改善溫度均勻性。
（1）冷壁爐
普通冷壁離子氮化爐采用雙層水冷壁，內(nèi)設(shè)雙層隔熱屏，隔熱減少熱損失，隔熱屏內(nèi)壁溫度一般在100~150℃，工件與內(nèi)壁溫差在350~400℃，溫差大、熱損失大是造成工件溫度不均勻的重要原因，靠合理裝爐可調(diào)整工件溫度均勻性。
普通冷壁爐爐溫不均，上低下高，外低內(nèi)高，如果采用冷氨供氣，由于氨分解吸熱更加劇了工件溫度不均，因此合理裝爐和正確供氣，對(duì)冷壁爐滿裝爐和長(zhǎng)工件可以改善溫度均勻性。對(duì)于單件或小批量生產(chǎn)，可利用冷壁爐內(nèi)爐溫不均和爐溫分布特點(diǎn)處理不同質(zhì)量要求的不同工件。
經(jīng)過(guò)改進(jìn)的冷壁離子滲氮爐和采用完備的技術(shù)保障，也可達(dá)到先進(jìn)設(shè)備水平，德國(guó)Nitrion技術(shù)公司具有三十多年冷壁爐制造和使用經(jīng)驗(yàn)，正在全球推銷冷壁離子滲氮設(shè)備和技術(shù)。
（2）保溫式熱壁爐
雙層水冷壁內(nèi)去掉隔熱屏，改為耐火材料保溫層，由于保溫層蓄熱和隔熱，使?fàn)t內(nèi)保溫層內(nèi)壁表面溫度達(dá)到300~450℃，大大減少了與工件之間的溫差，實(shí)用結(jié)果大大改善了工件溫度均勻性。
（3）輔助加熱式熱壁爐
在真空室內(nèi)或外設(shè)置輔助電阻加熱源，用以加熱工件和調(diào)整工件溫度，是目前最常用的熱壁爐。我們研制了一種輔助陰極元件加熱的可調(diào)溫的熱壁爐對(duì)改造國(guó)內(nèi)近千臺(tái)舊式冷壁離子滲氮爐，達(dá)到接近輔助電阻加熱的熱壁爐的效果，有推廣價(jià)值。
2.輔助陰極加熱式熱壁爐
（1）現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)近千臺(tái)老式冷壁爐多數(shù)在使用，適用于單件小批量生產(chǎn)，靠手工和技巧控制質(zhì)量，但很不穩(wěn)定，對(duì)大批量生產(chǎn)、滿裝爐、混裝爐和長(zhǎng)工件難以保證質(zhì)量穩(wěn)定和可靠。改造這些老式冷壁爐迫在眉睫。
（2）改造方案
改造方案力求簡(jiǎn)單，原冷壁爐隔熱屏不動(dòng)，不改變?cè)性O(shè)備的直流電源，不需另加低壓交流輔助電源，只在爐內(nèi)增加一個(gè)輔助陰極罩，中心增加一個(gè)輔助陰極柱（適用于大直徑爐膛），用輔助陰極元件加熱，形成新型熱壁爐，減少上下內(nèi)外工件溫差，增加滲氮均勻性。
輔助陰極加熱元件為加熱管，內(nèi)孔直徑10~18mm，長(zhǎng)15~20mm，壁厚1~3mm，實(shí)物如圖4所示。加熱元件安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖4 加熱管外形
圖5 加熱管安裝示意
加熱管內(nèi)孔尺寸選擇原則是在爐內(nèi)工作氣壓下，保證不產(chǎn)生空心陰極放電現(xiàn)象，利用短管內(nèi)孔輝光放電熱影響區(qū)疊加的加熱效應(yīng)，使輔助陰極罩內(nèi)表溫度達(dá)到400~550℃。加熱管內(nèi)孔輝光放電熱影響區(qū)疊加實(shí)況如圖6所示。
圖6 加熱管內(nèi)孔輝光疊加實(shí)況
加熱元件安裝的密度用以調(diào)節(jié)爐內(nèi)上下或內(nèi)外輔助加熱功率，達(dá)到改善溫度均勻性的目的。
（3）設(shè)計(jì)原理
利用在爐內(nèi)工件外圍或中心，布置同一直流電源的不同密度的輔助陰極加熱元件，對(duì)工件實(shí)行可調(diào)溫輔助加熱，輔助陰極罩內(nèi)壁溫度達(dá)400~550℃，改善爐內(nèi)工件內(nèi)外和上下溫度均勻性。
①減少工件對(duì)爐壁溫差。
②輔助陰極罩加熱元件設(shè)置和罩結(jié)構(gòu)布置，保證爐內(nèi)從下至上輔助加熱功率加大，形成輔助加熱上高下低的變化溫度場(chǎng)，補(bǔ)償爐內(nèi)上部工件溫度偏低的現(xiàn)象。
③充分利用輝光放電功率，一個(gè)直流電源完成輔助加熱和工件加熱兩項(xiàng)功能。
（4）試驗(yàn)效果
我們?cè)贚DMZ-150型脈沖離子滲氮爐進(jìn)行了輔助陰極加熱改裝試驗(yàn)。
該爐底盤尺寸700mm，兩個(gè)爐節(jié)分別高度為1000mm和2000mm，組合高度3000mm。設(shè)計(jì)輔助陰極加熱罩內(nèi)徑為660mm，單節(jié)高度為900mm和1050mm，兩節(jié)組合高度為1950mm。輔助陰極加熱罩內(nèi)加熱元件和組裝結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，外形如圖7、圖8、和圖9所示。
圖7 單節(jié)輔助陰極罩外形
圖8 單節(jié)輔助陰極罩裝爐外形
圖9 雙節(jié)輔助陰極罩裝爐外形(Φ700mm×1950mm)
試驗(yàn)方法：在直徑700mm爐底盤上從外緣沿半徑方向距100mm和200mm，各立放一根Φ50mm×810mm的圓棒，上面按圖10鉆4個(gè)直徑16mm×12mm沉孔，用于埋放40Cr鋼試塊Φ15mm×11mm，每個(gè)沉孔埋放一個(gè)試塊。另放一個(gè)Φ50mm×810mm圓棒作為配爐件（見(jiàn)圖11）。
試塊制備：Φ18mm×500mm，40Cr鋼棒料。
圖10 測(cè)試試塊安放位置
圖11 底盤上試塊安放圓棒位置
經(jīng)850℃油淬和550℃回火后，調(diào)質(zhì)硬度為28~32HRC，再加工成Φ15mm×11mm試塊，兩端面磨光后放入沉孔中作滲氮試驗(yàn)。試塊滲氮后在直徑15mm外端面上測(cè)定不同載荷的維氏硬度，外圓柱面徑向磨去3mm后斷面測(cè)維氏硬度梯度。
試驗(yàn)方案：采用單節(jié)輔助陰極罩和單節(jié)滲氮爐爐筒。每爐裝Φ50mm×810mm試棒3根，兩根用于安放試塊，試塊從上至下按順序編號(hào)，第一爐加輔助陰極罩，試塊編號(hào)外圈上至下：1、2、3、4；內(nèi)圈5、6、7、8，第二爐不加輔助陰極罩，試塊編號(hào)外圈上至下：01、02、03、04；內(nèi)圈05、06、07、08。兩爐處理工藝相同：520℃×8h，250Pa，NH3。
試驗(yàn)結(jié)果：如表1、表2所示。
第一爐：520℃×8h，560V，21A，250Pa，0.94SLM陰陽(yáng)極距45mm。
第二爐：520℃×8h，710V，5A，250Pa，0.92SLM陰陽(yáng)極距175mm。
爐壁溫度測(cè)量：520℃×8h保溫階段，用插入熱電偶測(cè)量第一爐輔助陰極罩上部?jī)?nèi)壁溫度為528~516℃，第二爐隔熱屏上部?jī)?nèi)壁溫度為120~140℃。
表1 40Cr鋼試塊滲氮硬度（520℃×8h）
（此表可以點(diǎn)擊放大）
試驗(yàn)結(jié)果分析：采用9.8N、98N、294N（1kg、10kg、30kg）不同載荷的維氏硬度值，代表滲氮層硬度梯度，可清楚顯示工件各處溫度不均帶來(lái)的擴(kuò)散層硬化效果差異，溫度高硬度梯度較好，而溫度低，擴(kuò)散差，硬度梯度差，表現(xiàn)為重載荷下維氏硬度顯示差異加大，只有溫度均勻，重載荷下維氏硬度值才能一致。
從表1數(shù)據(jù)可看出，有輔助陰極加熱的第一爐，無(wú)論是外圈還是內(nèi)圈，無(wú)論是重載還是輕載維氏硬度都是均勻的，尤其表現(xiàn)外圈的均勻性大于內(nèi)圈，因此試驗(yàn)證明了輔助陰極加熱明顯改善了爐內(nèi)工件溫度均勻性，而以外圈裝爐工件溫度均勻性最好。對(duì)比第二爐無(wú)論外圈還是內(nèi)圈，上部試塊硬度明顯低于下部，維氏硬度載荷提高，硬度差距明顯加大，表明無(wú)輔助加熱造成上下試塊溫度差距很大，上部溫度明顯偏低，外圈上下試塊硬度差110HV30，內(nèi)圈上下試塊硬度差102HV30，對(duì)比有輔助加熱的第一爐外圈上下試塊硬度差4HV30，內(nèi)圈上下試塊硬度差17HV30。上述兩爐對(duì)比數(shù)據(jù)表明，輔助陰極加熱明顯改善了爐內(nèi)工件的溫度均勻性。
表2 40Cr鋼不同位置試塊滲氮硬度梯度（520℃×8h）
（此表可以點(diǎn)擊放大）
直接用硬度梯度測(cè)試驗(yàn)證了上述不同載荷維氏硬度測(cè)定的結(jié)果。表2表明，有輔助陰極加熱的第一爐內(nèi)圈和外圈上下試塊硬度梯度0.15mm內(nèi)硬度值基本一致，0.02mm與0.10mm最大硬度差只有60HV0.1，滲氮層深在0.35~0.50mm，說(shuō)明內(nèi)外和上下溫度是均勻的。而無(wú)輔助陰極加熱的第二爐上部60mm內(nèi)試塊表面下0.02mm硬度681~748HV0.1，但表面下0.05mm硬度就降至542~586HV0.1,0.02mm與0.10mm最大硬度差達(dá)到347HV0.1，表明上部溫度偏低，擴(kuò)散不足造成；表明爐內(nèi)上下內(nèi)外溫差很大，上下內(nèi)外試塊硬度梯度差別很大，滲層差異也很大為0.15~0.40mm。
試驗(yàn)和計(jì)算表明，單節(jié)輔助陰極罩耗電15~20A，雙節(jié)輔助陰極罩耗電30~40A，該爐最大輸出150A，雙節(jié)滿裝爐，輔助陰極加熱耗電大致為直流電源的1/5～1/3。這比電阻加熱的輔助加熱爐，另增加一個(gè)交流電源耗電要少，或者相當(dāng)。常用150A輔助電阻加熱離子滲氮爐的電阻加熱電流為60A。
上述試驗(yàn)揭示了冷壁離子滲氮爐溫度的不均勻性，表明采用熱壁離子滲氮爐是提高工件溫度均勻性的關(guān)鍵。
推廣價(jià)值：當(dāng)前大多數(shù)舊式離子滲氮爐沒(méi)有輔助加熱，工件處理質(zhì)量不均不穩(wěn)，我們提出的可調(diào)溫輔助陰極加熱方案，簡(jiǎn)單易行，適合改造用于滿裝爐、混裝爐、大批量生產(chǎn)和長(zhǎng)工件處理的離子滲氮爐。改造投資少，見(jiàn)效快，對(duì)充分發(fā)揮舊式離子滲氮爐作用，提高離子滲氮產(chǎn)品質(zhì)量有積極意義。
氮碳共滲及后氧化是20世紀(jì)末開(kāi)發(fā)的一種耐磨與耐蝕兼優(yōu)的復(fù)合熱處理技術(shù)，只有在熱壁爐中才能實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)氧化。舊式冷壁離子滲氮爐，由于存在冷壁無(wú)法進(jìn)行爐內(nèi)離子氧化處理，采用輔助陰極加熱的熱壁離子滲氮爐用于離子氮碳共滲及后氧化處理，可以實(shí)現(xiàn)均勻的氧化，如圖12所示Φ50mm×810mm長(zhǎng)棒上下均勻氧化外觀。
圖12 Φ50×810mm圓棒離子氮碳共滲和爐內(nèi)離子氧化后的外觀
四、溫度均勻性測(cè)量方法
熱處理爐有效加熱區(qū)溫度均勻性的測(cè)量方法已有國(guó)家規(guī)定（GB/T9452—2012，GB/T30825—2014），但是離子滲氮爐溫度均勻性的測(cè)量方法國(guó)內(nèi)外至今沒(méi)有正式建立，嚴(yán)重影響了離子滲氮爐的生產(chǎn)和質(zhì)量控制。
離子滲氮爐溫度均勻性不是指爐內(nèi)空間的溫度均勻性，而是指有效工作空間內(nèi)工件的溫度均勻性，這一點(diǎn)不同于普通熱處理爐，因此溫度均勻性的測(cè)量方法也應(yīng)不同。我們所開(kāi)發(fā)的可調(diào)溫輔助陰極熱壁離子滲氮爐，同時(shí)開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量溫度均勻性的方法，即用兩根標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件測(cè)量爐膛內(nèi)區(qū)、外區(qū)、上區(qū)、中區(qū)和下區(qū)溫度均勻性，可用內(nèi)外上中下6點(diǎn)試塊硬度法或用內(nèi)外上中下6點(diǎn)熱電偶實(shí)測(cè)溫度法測(cè)定。
冷壁離子滲氮爐難以保證溫度均勻性±10℃，而熱壁離子滲氮爐可以達(dá)到小于±10℃。
當(dāng)設(shè)備有熱電偶插入孔和條件具備時(shí)可用熱電偶法在測(cè)試件上測(cè)量。采用試塊多點(diǎn)放置，測(cè)量各試塊不同載荷維氏硬度值的差異可判斷工件溫度均勻性，在表2和表3中已有完整的數(shù)據(jù)。這是一個(gè)簡(jiǎn)便的方法，建議通過(guò)試驗(yàn)建立一套可行的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。
五、結(jié)語(yǔ)
離子滲氮是等離子體熱處理的一個(gè)分支，更是表面熱處理的一個(gè)小分支，它具有微變形和特殊性能等特點(diǎn)，是其他表面熱處理無(wú)法替代的，充分發(fā)揮離子滲氮的潛力，充分運(yùn)用離子滲氮技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量，是我們同行的共識(shí)。
作者：杜樹(shù)芳，特邀滲氮專家
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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