离子化学热处理及应用实例

离子化学热处理是在低于一个大气压的含有欲渗元素的气相介质中，利用工件（阴极）和阳极之间产生辉光放电同时渗入欲渗元素的化学热处理工艺。其包括离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗、离子氮碳共渗、离子渗硫等。

（1）离子化学热处理高渗速机理 由于离子化学热处理是在真空中加热，并有高能离子的轰击，不仅使工件表面接受离子动能温度升高，而且使工件表面洁净与活化，再加上含有渗入元素的活性气体，由于热分解与电离的双重作用，并在直流电场的作用下，短时间内就在工件表面附近的空间形成高的渗入元素离子浓度区，从而加速了化学元素向工件的渗入与扩散，比一般热扩散渗速快。

（2）离子化学热处理的优点 ①由于在真空中加热，工件不氧化、不脱碳，并具有明显的脱气效果，所处理工件表面质量好，力学性能高；②渗入气氛为低压，故节约气体消耗（达70%～90%）；③在真空中渗剂不氧化，活性强，故渗速快，节省能源，可节能30%以上；④工件在真空中加热，其表面清洁、活化，故对渗入元素吸附、扩散快，可节约时间50%左右；⑤由于热处理畸变小，故可减少后续机械加工余量，从而降低成本；⑥无污染、环保。

（3）离子渗氮 离子渗氮只有普通气体渗氮时间的1/4～1/2，因而可节省电能50%～75%，而NH₃消耗量仅为其5%～20%。因此，离子渗氮是一种高效节能、清洁的热处理工艺，现已广泛应用于汽车、机械制造、精密仪器、模具等行业。目前，用离子渗氮取代传统气体渗氮已成为一种趋势。

用于离子渗氮的介质有N₂+H₂、NH₃及氨分解气。氨分解气可视为φ（N₂）25%+φ（H₂）75%的混合气。炉压可在133～1066Pa的范围内调节。离子渗氮温度一般低于590℃，工件畸变小。离子渗氮时间一般为4～20h。常用电压500～700V，电流密度0.5～5mA/cm²。

（4）离子渗碳 离子渗碳的最大优点是渗碳效率高，其渗碳效率可达55%，一般也有20%～30%，而真空渗碳不到20%，气体渗碳则在10%～20%。

离子渗碳的渗碳剂主要采用CH₄（甲烷）、C₃H₈（丙烷）和C₂H₂（乙炔）等，以H₂或N₂稀释，渗碳剂与稀释气之比约为1∶10。离子渗碳时，工作炉压在133～532Pa调节，通以500～1000V直流电，电流密度0.2～2.5mA/cm²，离子渗碳温度通常在900～960℃。

与传统气体渗碳相比，离子渗碳可缩短处理时间50%以上，可减少90%的渗碳气体消耗。例如880℃离子渗氮1h，就可以获得0.6mm深的硬化层，同常规气体渗碳相比，可缩短约50%的时间。表2-22为20CrMnTi钢不同渗碳方法主要技术指标的对比。

表2-22 20CrMnTi钢不同渗碳方法主要技术指标的对比

（5）高温离子渗碳 高温渗碳和离子渗碳均能提高渗碳速度，若同时使用两者，无疑将大幅度缩短渗碳周期（尤其是深层渗碳周期），同时还能发挥离子渗碳的无氧化脱碳、节能及无污染等特点。例如高温离子渗碳及循环处理复合工艺可大幅度缩短生产周期，其生产周期仅为气体渗碳周期的1/4～1/3，并细化晶粒，消除混晶，改善渗层及心部组织。

（6）循环变温离子渗氮 其工艺特点是，对碳钢渗氮处理后，渗氮层中含有ε、γ′、α″相，N原子在ε、γ′相中的扩散速度远小于在α相中，表面形成的ε相阻碍了N原子扩散，周期性的渗氮+时效可使ε→α″+Fe₃C，形成α″通道和若干缺陷界面，有利于提高N的扩散速度。图2-5为循环离子渗氮工艺。

45钢经过如图2-5所示的工艺渗氮后，当心部硬度下限值约为230HBW，且硬度约260HBW处对应深度为0.7mm时，仅需13h。为了达到同等效果，普通二段式、三段式渗氮一般需要60h以上。(www.xing528.com)

（7）离子化学热处理工艺应用实例 见表2-23。

图2-5 循环离子渗氮工艺

表2-23 离子化学热处理工艺应用实例

（续）

图2-6 离子渗碳工艺曲线

图2-7 20Cr2Ni4钢齿轮轴离子渗碳工艺曲线