從20世紀60年代起離子滲氮技術(簡稱DCPN技術)開始在工業生產中得到實際應用,在這50多年的發展過程中,DCPN技術的工藝和設備不斷得到完善,現在已成為金屬化學熱處理中的一個重要組成部分。與氣體滲氮技術相比,DCPN技術有著處理質量高、速度快、成本低、無污染等優點,素有“綠色熱處理技術”之稱。
離子滲氮處理是將工件置于真空容器中,工件與直流輝光放電高壓電源的負極相連,電源的正極接在爐殼上,爐內通氨氣或氫氮混合氣,在一定的工作壓強下工件表面發生輝光放電,利用輝光放電產生的等離子體對工件進行滲氮處理。由于受氣體放電特性的影響,DCPN技術一直存在一些難以解決的技術問題,如工件打弧、空心陰極效應、電場效應、大小工件不能混裝、工件溫度測量困難、對操作人員技術水平要求高等。因此,DCPN技術至今仍被熱處理行業認為是一種比較難以掌握的技術,阻礙了這項技術的發展和在工業生產中的推廣應用。
90年代末,盧森堡工程師J. Georges發明了“活性屏離子滲氮”技術(ThroughCage Plasma Nitriding, 簡稱Motor技術;或稱為Active Screen Plasma Nitriding,簡稱ASPN技術),并申請了美國專利[。圖1是ASPN裝置的示意圖。
ASPN技術是在普通的離子滲氮爐內安裝了一個鐵制的籠子(被稱為活性屏),被處理的工件罩在籠子內,將原本接在工件上的直流負高壓接在籠子上,籠子產生輝光放電,被處理的工件則處于電懸浮狀態或接-100～-200V的直流負偏壓。ASPN技術發明人認為,在滲氮處理過程中籠子主要起到兩個作用:一是在離子的轟擊下籠子被加熱,通過熱輻射將工件加熱到滲氮的溫度,即起到一個加熱源的作用;二是從籠子上濺射下來的一些納米尺度的粒子沉積在欲滲工件的表面,釋放出來活性氮原子對工件進行滲氮,即濺射粒子起到滲氮載體的作用。由于在活性屏離子滲氮處理過程中,離子轟擊的是籠子,而不是直接轟擊工件的表面,所以DCPN技術中存在的工件打弧、空心陰極效應、電場效應、大小工件不能混裝、工件溫度不勻、工件測溫困難等技術難題也就應刃而解,對操作人員的要求也大大降低。
目前由ASPN技術發明人J.Georges創建的PlasmaMetal S.A.公司已開始生產銷售ASPN設備,歐洲幾家規模比較大的熱處理公司已將這項技術用于生產中,并對這項新技術給予了很高的評價。因此,ASPN技術的出現是DCPN技術的一大進步,是傳統的DCPN技術強有力的競爭對手。本文將對近幾年國內外在ASPN技術基礎研究與應用研究的現狀進行分析討論,并介紹我國ASPN技術研發工作的進展。
1.ASPN技術的基礎研究
ASPN技術的出現引起了國內外熱處理領域內科技人員的重視,許多高校或科研機構對這項技術進行了基礎性的研究。由于受試驗條件的限制,這些試驗裝置大多都是在實驗室內利用傳統的離子滲氮爐改造而成,所用的籠子直徑都在200mm范圍以內。
雖然Georges發明了ASPN技術,但早期的ASPN技術的基礎研究都是在英國伯明翰大學表面工程研究室進行的。Li C. X.等人通過試驗發現,ASPN可以獲得和DCPN一樣好的滲氮效果,并較好地解決了DCPN技術難題,是一項值得推廣的新技術。他們還在試驗的基礎上,參照經典的K?lbel離子滲氮模型上,最先提出了一個ASPN 的滲氮模型(見圖2),認為從籠子表面濺射下來的Fe粒子與空間的N原子結合形成FeN粒子,這些粒子沉積在滲氮試樣的表面發生分解,釋放出來的活性氮原子滲入工件表面實現滲氮;在模型的右端,從籠子上濺射下來Fe4N粒子沉積在工件表面也能起到滲氮的作用,但其未解釋這部分的滲氮機制。
趙程在此基礎上進一步研究發現,無論滲氮試樣是處于電懸浮狀態還是處于接地(與陽極同電位)狀態,都能獲得與DCPN一樣好的滲氮效果,通過分析從籠子上濺射下來的粒子發現這些粒子是Fe4N,所以他認為這些中性的Fe4N粒子應該是能使ASPN滲氮的關鍵物質,并認為這些濺射粒子在向工件表面沉積過程中物理吸附了大量的氮原子,在高溫的工件表面這些粒子解析出活性氮原子使工件表面滲氮,提出了ASPN應該是按照“濺射-吸附”的滲氮機制進行。C. Zhao等人通過更深一步的研究證實,從籠子上濺射下來的粒子應是FexN(X≥2)(見圖3)?，F在也有人堅持認為從籠子上濺射下來的Fe粒子與空間的氮原子結合成FeN粒子,并按K?lbel離子滲氮模型實現ASPN滲氮的。
AkioNishimoto等人研究了滲氮試樣與籠子之間的距離對滲氮效果的影響,得出了離籠子越近,滲氮層越厚,硬度越高的結論。但該試驗所用的籠子直徑只有150mm,離籠子最遠的試樣距離僅為50mm。根據論文中給出的試驗曲線的發展趨勢可以推斷,如果試樣離籠子距離超過60mm以后,滲氮層的厚度可能降為零。劉基凱利用Φ600mm直徑的籠子研究了試樣與籠子之間的距離對ASPN滲氮效果的影響,發現當試樣處于懸浮狀態或接-200V以內的負偏壓時,離籠子距離超過70mm的試樣滲不上氮。由此可見,用小籠子做試驗得到的試驗結果和結論不適合用于大直徑籠子的ASPN設備中。
奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮處理可以在不降低耐蝕性能的前提下大幅度提高其表面硬度,但是硬化處理溫度必須要控制在420~450℃范圍內,這對于工件溫度均勻性差、測控溫難的傳統離子滲氮裝置來說,要在數十個小時的處理過程中將工件控制在這個溫度范圍內難度是比較大的,所以盡管奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮技術發明已有近三十年的歷史,但大規模工業化應用的例子不多。研究發現,利用ASPN技術也可以實現奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮處理,由于這時工件被罩在具有輔助加熱功能的籠子內,提高了工件的溫度均勻性和測控溫精度,所以利用ASPN技術對奧氏體不銹鋼進行低溫硬化處理應該具有較大的工業化應用前景。
2.ASPN技術的工業化研究
盡管大家對ASPN滲氮機理有不同的解釋和看法,但是有一點是一致的,就是離子轟擊陰極濺射起來的粒子是ASPN實現滲氮的關鍵物質,對于具有工業化規模的ASPN設備來說,問題是從籠子上濺射下來的粒子是怎樣輸運到遠離籠子的工件表面上去。
ASPN技術發明人Georges認為是穿過籠子的氣流將從籠子上濺射下來的粒子 “吹到”工件的表面實現滲氮的,所以早期的ASPN設備的籠子外面繞有多圈氣體分配管(見圖4),因此活性屏離子滲氮技術也被稱為Motor技術(Through Cage Plasma Nitriding)。眾所周之,爐內的氣體流動形式會與很多因素有關,如進氣量的大小、進氣口和排氣口的位置等,尤其是當爐內工件的形狀、數量以及擺放位置發生變化時,對爐內氣流分布的影響非常大,難道用戶在裝爐時還要考慮到這一點才能實現均勻滲氮?所以這種解釋的說服力不強,現在PlasmaMetal公司生產的ASPN設備也沒有安裝這種多圈氣體分配管。
Hubbard利用PlasmaMetal公司生產的ASPN設備進行了較詳細的研究,發現加在工件上的負偏壓對能否實現ASPN均勻滲氮是至關重要的。如果工件不施加足夠高的負偏壓,工件幾乎不能實現均勻滲氮。測量發現這套ASPN設備的負偏壓的脈沖峰值電壓最高可達1400V。對于負偏壓如何能實現ASPN均勻滲氮,他的解釋是負偏壓將從籠子上濺射下來的粒子“吸”到工件的表面實現工件滲氮的,對于這種解釋的說服力也不強,因為濺射粒子是中性的,負偏壓對其運動的影響不大。
劉基凱利用直徑為600mm的籠子進行ASPN滲氮研究,發現對于離籠子距離大于70mm以外的試樣,只有當負偏壓大于某一臨界值后才能均勻地滲氮,而這個負偏壓值恰是能使工件表面發生陰極濺射的“閾值”。因此,他認為對于工業規模的ASPN設備來講,離籠子距離小于70mm的工件是依靠從籠子上濺射下來的粒子沉積到工件表面實現滲氮的;而離籠子距離大于70mm的工件,則是利用工件本身負偏壓的“自濺射”起來的粒子沉積在工件表面上實現滲氮的。所以對于工業規模的ASPN設備來說,籠子主要起的作用應該是一個內輔助加熱源的功能。
根據以上分析可知,若要研究ASPN技術,必須要在大直徑籠子內進行試驗,這樣才能得到具有實際應用價值的試驗結果。
3.我國ASPN技術的研發
2012年江蘇豐東熱技術有限公司、青島科技大學以及江蘇省熱處理及表面改性工程技術研究中心三方合作,研制成功了具有特色和自主知識產權的新型活性屏離子滲氮設備(見圖5),并通過了中國熱處理行業協會組織的技術鑒定。該設備的籠子尺寸為φ1300×1500mm,工作臺直徑為1200mm。這套裝置采用了保溫式的爐體、雙測溫控溫系統、爐內壓力雙閉環自動控制系統、框式爐體升降移動系統、快速充氮冷卻系統等多項專利技術,特別是保溫式爐體,具有結構簡單合理、升溫速度快、節能效果顯著等優點,可進一步提高爐內空間溫度均勻性。
為了比較新研制的活性屏離子滲氮設備與普通的離子滲氮爐滲氮效果,分別在保溫式活性屏離子滲氮爐和LDMC-100F普通水冷壁式離子滲氮爐內擺放了8個42CrMo內齒圈,齒圈外形尺寸為φ500×500mm,每個齒圈重約70kg。在8個大齒圈的不同部位擺放了11個42CrMo試樣,擺放的位置見圖6。
圖7和圖8分別是這兩種爐子滲氮處理后不同位置的試樣的表面硬度和滲氮層的厚度的分布。結果表明,用保溫式ASPN設備處理的試樣表面硬度和滲層厚度的均勻性均好于水冷式離子滲氮爐,這說明保溫式ASPN爐內工件的溫度均勻性優于水冷式離子滲氮爐。另外,保溫式ASPN設備可比水冷式離子滲氮爐節電25%以上。
4.結語
通過對近幾年國內外ASPN技術的基礎研究與工業化研究的分析,認為加在工件上的負偏壓值是ASPN能否實現均勻滲氮的關鍵,而且ASPN技術的研究一定要在大直徑的籠子內進行。
來源:熱處理生態圈
作者:趙程,青島科技大學表面技術研究所
劉肅人,江蘇省熱處理及表面改性工程技術研究中心
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