活性屏离子渗氮—一种新兴离子渗氮技术

胡博雷

依靠辉光放电的离子渗氮技术自上世纪70 年代以来已获得广泛应用，但离子渗氮过程中工件的打弧和空心阴极效应影响渗氮质量以致损坏处理工件表面，是必须予以克服的一个技术问题。对离子渗氮机理的研究认为，N2的中性原子态和震动的分子态是在辉光放电渗氮过程中主要的反应微粒，这意味着渗氮时没有必要将工件处于几百伏甚至上千伏的阴极电位。由此提出活性屏渗氮技术的思路。

活性屏离子渗氮技术（Active Screen Plasma Nitriding，ASPN）是近几年在欧洲出现的一种新型离子渗氮技术，它不仅解决了传统直流离子渗氮技术工件打弧、空心阴极效应、温度测量困难、大小工件不能混装和对操作人员要求高等一些技术难题，而且可以获得和直流离子渗氮一样好的渗氮效果。
在活性屏离子渗氮过程中，是将直流负高压接在铁制的笼子上，被处理工件罩在笼子中间，处于电悬浮状态或接负偏压。在离子的轰击作用下，笼子被加热，同时溅射下来一些纳米颗粒沉积在工件的表面进行渗氮。因此，在活性屏离子渗氮过程中，笼子同时起到加热工件和提供渗氮载体的两个作用。
    设备的关键部件是活性金属屏，即上面所说的笼子，脉冲或直流电源的电流直接加于活性屏上，其产生的热依靠辐射均匀加热渗氮处理工件，同时由喷口喷入的气体产生等离子体，工件进行渗氮时活性屏被等离子体包围，等离子体按精心设计的流动方向均匀平缓地与处理工件接触，实现均匀的渗氮。机理研究发现，从活性屏上溅射下来的纳米粒子在向工件表面的输运过程中，粒子表面物理吸附了大量的活性氮原子，这些粒子沉积在被处理的工件表面后，物理吸附的氮发生解析，脱附下来的活性氮原子向钢基体内部扩散形成了渗氮层。
渗氮操作主要步骤如下：(1) 去除污锈的工件装入工件支架平台，密封炉体; (2) 启动真空泵使炉体内压降至20μbar; (3) 提供活性屏电流; (4) 炉内温度均匀一致达到300 ～ 600 ℃（对特殊合金，渗氮温度可设定高达800℃）; (5) 由氮和中性气体组成的混合气通过喷口进入活性屏外围并产生高离子化的离子、电子和其它活性的、具有能量的中性气相粒子，对工件进行渗氮; (6) 活性屏产生的等离子体流动，使处理工件不断沉浸于活性气相粒子中。
在欧洲，许多大的热处理厂都购置了活性屏离子渗氮设备，使用效果良好，大大提高了经济效益。在日本，这种活性屏渗氮炉的直径达到1000 mm，高度为1200 mm，最大的处理加载量达到2000 kg(含夹具) ，处理后可导入80 kPa 氮气进行强制冷却。采用常用的离子渗氮气氛( 30% N2 + 70% H2)可获得γ' + 扩散层基体组织; 增加N2量和甲烷可获得ε相层; 还可通入丙烷、氢的硫化物、碳的氟化物等形成氮-碳化物、氧氮-碳化合物和硫-氮淬硬渗层。目前这项新技术在我国尚属空白，需要急起直追。