离子渗氮和QPQ氧化的复合工艺探索

离子渗氮作为传统渗氮手段代表之一，在表面处理行业应用广泛，其产品外观呈现灰色，相较于QPQ处理，无法形成极具耐蚀性的氧化膜。通过QPQ氧化工序可在离子渗氮工件表面重新形成黑色氧化膜层，使其外观，耐蚀性都得到极大改善，本期编者为大家介绍离子渗氮原理以及和QPQ氧化有机结合的复合工艺探索。

离子渗氮是指在压力为0.1~10Torr(Torr=133.3Pa)的渗氮气氛（N2-H2或NH3或纯N2）中，利用工件（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。应用辉光放电作为传送媒介的第一个专利是30年代提出的。企业家B.Berghaus根据物理学家Wehnelt的建议从事辉光放电工作。辉光放电应用的一个最重要的前提条件是“弱电”辉光放电可以用“强电”的形式稳定地进行。在气压为几个mbar,电压大于100V的情况下，可产生例如氮离子的稳定强电辉光放电。利用沉积和溅射原理使离子成功的渗入到钢铁材料的表面。

在正常条件下气体是非导体，也就是说它的自由带电粒子甚少，以致于没有电荷可传送。这种绝缘性质在电压特别高的时候（闪电）或在低压区内（辉光放电）可发生转变。不导电的气体转变为部分电离的导电的等离子区，下图给出了各种可能的物理状态。

在F-G区，电流电压特性曲线为一正比特性曲线，这就是“强电流”辉光放电区，该区用来进行离子渗氮。这种放电是亚稳定的，由于外界的影响可能会变成所不希望的稳定放电形式-电弧。在出现故障时，电弧由一个快速电子开关控制并熄灭，这样零件就不会损伤。在辉光放电等离子区中的渗氮是在这亚稳型的放电区进行的，零件从气体离子中获得能量而升到渗氮温度，同时渗入氮。

       当气体介质选用N2或NH3时，并且此时大气压小，向被加工试样与炉子间通入直流电压，激发辉光发电效应。由于在被加工试样表层几毫米间出现电压呈现迅速变小的现象，造成介质中的游离态原子往负极出聚集。当离子接近被处理工件的表面，由于此时电压急剧下降，从而强烈加速轰击被处理工件的表面。离子将其动能转变为了热能，使工件表面温度升高，并且此时气体中的一些离子直接的注入了被处理工件的表面，另一些离子则引起了阴极溅射，将工件表面的电子和原子轰击出来。因为电子作用将工件表面的Fe激发出，其与气体介质中游离态的N作用从而组成氮化铁。由于氮化铁受吸附和在表面上蒸发的作用，又因离子轰击以及高温的作用，其很快的转换为了价较低的物质而放出氮。因有一些金属原子变为了低价氮化物，其和气氛中的游离态N原子进一步作用，加速了氮化的进行。其表面反应过程如下：

    离子渗氮属于等离子热处理的范畴，也是渗氮化学热处理中的一种。绝大部分钢材都可以进行离子氮化，例如不锈钢、碳钢等。经离子渗氮处理的钢所形成的渗层的组织和相，和普通的气体渗氮相同，所以可以根据铁氮状态图等对其进行研究分析。并且合金元素对渗层所造成的影响规律也与普通的气体渗氮相同。然而经过离子渗氮处理后渗氮层中的相的缺陷结构和形态分布有差别，所以经过其处理后的性能也有所差别。

    离子渗氮后产品外观呈现灰色，虽然可以在渗氮过程中通入适量的氧气来提高表面的氧含量，从而提高工件的耐蚀性，但远达不到QPQ氧化形成的氧化膜抗蚀性效果。通过对离子渗氮的产品进行QPQ氧化工艺氧化，既可以保证离子渗氮形成的物相结构不发生变化，又可以在表面形成新的氧化膜从而提高工件的耐蚀性，改善产品外观。

下图为离子氮化处理的气门产品经过QPQ氧化后，产品外观如下图所示。

离子氮化从380℃起即可进行氮化处理，此外，对钛等特殊材料也可在850℃的高温下进行氮化处理，因而适应范围十分广泛。而QPQ受盐熔点限制，常规使用温度在500~600℃，成都工具研究所现目前开发的低温专用盐使用温度可低至420℃，但和离子渗氮相比较，离子渗氮温度更低，对于变形要求高、回火温度低的零件更有市场竞争力，而QPQ氧化处理的外观呈均匀一致的黑色相较于离子渗氮外观以及防腐性更有优势，将两种渗氮工艺相结合，可适用于更多的生产场景，应用在更多的领域。

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