離子滲氮工藝對(duì)設(shè)備是有基本要求的，主要包括：
(1) 真空度：設(shè)備的真空爐體必須具有良好的密封性能，由真空獲得系統(tǒng)來保證。真空獲得系統(tǒng)由兩臺(tái)旋片式機(jī)械真空泵、真空電磁閥、電動(dòng)真空蝶閥、真空檢測裝置等組成，通過真空管道與真空爐體連接。爐體的真空度用壓升來衡量，壓升的標(biāo)準(zhǔn)為≤0.13 MPa /min。
(2) 絕緣性：陰、陽極之間必須要有良好的電絕緣性能，才能保證工藝正常進(jìn)行和設(shè)備安全。陰極輸電裝置由陰極桿、密封件、絕緣墊、承重柱和氣隙套組成，陰極引線通過陰極輸電裝置與陰極盤相聯(lián)。
(3) 良好的滅弧性能：在工藝過程的不同階段，零件表面會(huì)不同程度地產(chǎn)生弧光放電(俗稱“打弧”) ，零件表面清潔階段和升溫階段表現(xiàn)最為明顯，到了保溫也就是輝光穩(wěn)定后，偶爾也有輝光向弧光轉(zhuǎn)變的情況。打弧的主要特點(diǎn)是低電壓、大電流放電，對(duì)于電源來說類似于短路，所以要求設(shè)備具有良好的滅弧性能，保護(hù)零件和設(shè)備不被損壞。
(4) 水冷卻：真空爐體設(shè)計(jì)循環(huán)水冷卻，是為了延長橡膠密封件等的使用壽命，避免頻繁維修，提高設(shè)備綜合利用率。
(5) 隔熱保溫：真空爐體設(shè)計(jì)安裝有隔熱屏，一般用不銹鋼板制作，厚度約10～15mm，主要目的是為了提高爐體內(nèi)不同部位零件溫度的均勻性，當(dāng)然也有節(jié)省電能的目的。
一、白亮層不合格
白亮層是微米級(jí)的氮化鐵，即Fe2N、Fe3N、Fe4N，常被稱作化合物層，因其在顯微鏡下觀察時(shí)呈白亮的顏色，所以又稱作白亮層。白亮層也是單純的ε相，其耐磨性很好，所以化合物層可以改善抗咬合性、耐磨性、抗腐蝕性能。
某公司零件的白亮層要求3～10μm，曾出現(xiàn)無白亮層或白亮層只有1～3μm的問題，該問題最終鎖定在爐子的密封性，主要是因?yàn)橘|(zhì)量流量計(jì)和電磁閥之間的連接處漏氣而造成的。白亮層不合格的常規(guī)分析方法如下：
1、滲氮?dú)夥盏挠绊?br /> 離子滲氮?dú)夥罩械吞嫉暮渴怯绊懟衔飳酉嘟Y(jié)構(gòu)的重要因素。
氣氛含氮量對(duì)化合物層相結(jié)構(gòu)的影響：隨著氣氛含氮量增加，化合物層中ε相增多，白亮層也隨之增厚，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最佳的N2：H2比例為4：1。含碳量對(duì)化合物層的影響：氣氛中添加含碳?xì)怏w將抑制γ相形成，而得到以ε相為主或ε單相結(jié)構(gòu)的化合物層。如氣氛中加入丙烷(C3H8)后，化合物層中ε相含量迅速增多，基本由ε單相組成。含碳量再增加則化合物層中開始出現(xiàn)Fe3C；含碳量繼續(xù)增加，則Fe3C 增多，ε相就會(huì)減少直到完全消失。離子滲氮需要嚴(yán)格控制氣氛中含碳量，使之能得到ε單相或ε+少量Fe3C的雙相組織。這樣的組織其硬度和耐磨性均比單純離子氮化有較大提高。
2、鋼材成分和組織的影響
隨著鋼中含碳量及合金元素增加，氮化層中ε相也隨之增多?；w組織硬度較高者，滲氮層表面硬度也較高，而且化合物層較厚，其中ε相也較多。一般來說，調(diào)質(zhì)組織滲氮后化合物層中的ε相含量比正火組織的少。
3、滲氮保溫時(shí)間的影響
有些鋼化合物層厚度在滲氮初期增長較快，保溫2~4h后變化不大。而38CrMoAl鋼化合物層厚度則隨時(shí)間延長而增厚，保溫24h后，這種趨勢仍然保持著。所以保溫時(shí)間對(duì)化合物層的影響程度要根據(jù)平時(shí)調(diào)試設(shè)備時(shí)的經(jīng)驗(yàn)來總結(jié)，每種產(chǎn)品在不同的設(shè)備中會(huì)有些差異。
4、滲氮溫度的影響
40Cr 鋼滲氮時(shí)，從500℃上升到560℃，化合物層中ε和γ'均增加；當(dāng)上升到580～600℃時(shí)，ε相忽然減少，γ'相數(shù)量猛增；當(dāng)溫度上升到620℃時(shí)，γ'相數(shù)量急劇減少；而當(dāng)溫度上升到650℃以上時(shí)，則化合物層分解。這點(diǎn)也是要積累調(diào)試驗(yàn)，做好設(shè)備檔案，供分析問題時(shí)參考。
5、氣壓的影響
離子滲氮的化合物層厚度在某一最佳氣壓下出現(xiàn)最大值，氮化物ε相的含量和氣壓也有類似的關(guān)系。如27CrMnTi 鋼在530℃滲氮，氣壓為100Pa左右時(shí)，化合物層中ε相含量最多；如果氣壓值上升到120 Pa以上時(shí)，化合物層則會(huì)急劇減少。
6、設(shè)備的密封性的影響
如果爐內(nèi)進(jìn)入空氣，空氣中大量的O2會(huì)優(yōu)先與Fe形成化合物，就會(huì)直接影響氮化物ε相的形成。離子氮化是在低壓狀態(tài)下生產(chǎn)的，小于環(huán)境的壓力，所以爐子的密封性非常重要，否則在真空泵連續(xù)工作的作用下，空氣就滲入爐內(nèi)了。設(shè)備的主要漏氣點(diǎn)有：罩蓋的密封處、熱電偶的密封處、工藝氣體輸送途中的各連接處、真空泵閥、質(zhì)量流量計(jì)接頭部位或其他密封部位。鐘罩式離子氮化設(shè)備的壓升在實(shí)際生產(chǎn)中最好≤0.12 Pa /min(要憋壓30 min 以上) ，設(shè)備作業(yè)指導(dǎo)書要明確操作者需定期憋壓檢查爐子的密封性。
滲氮層硬度高而且表層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，能顯著提高鋼的耐磨性與疲勞強(qiáng)度，改善耐蝕性和抗擦傷性能，所以氮化層不足或不均勻是零件的重要質(zhì)量缺陷。實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到無氮化層或?qū)由畈缓细竦膯栴}，主要原因分析如下：
(1) 滲氮溫度偏低，保溫時(shí)間不夠在生產(chǎn)中，如果因儀表控制不當(dāng)，未能達(dá)到工藝要求的溫度，而保溫時(shí)間仍按工藝文件執(zhí)行；或滲氮溫度是正確的，而滲氮時(shí)間小于工藝文件規(guī)定的時(shí)間，都可能造成滲氮層不足。所以在生產(chǎn)中要定期校驗(yàn)儀表，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，按工藝要求執(zhí)行。
(2) 活性N 原子不足
如果氮?dú)浔壤划?dāng)，氮原子偏少，則在爐中可供滲氮的離子過少，會(huì)降低滲氮速度，使?jié)B氮層的深度降低。還有設(shè)備打弧嚴(yán)重，也會(huì)使活性N 原子數(shù)量降低，(5) 中將詳述。
(3) 零件裝夾不合理
如果零件裝夾不當(dāng)，例如擺放位置不合理、裝爐量太大，都會(huì)造成溫度不均勻，溫度偏低處的層深則減少；還有如果零件擺放太近，會(huì)影響輝光離子的流動(dòng)，從而降低了氮化速度。這兩點(diǎn)都會(huì)造成層深不足或不均勻的問題，合理的裝爐方式需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的積累來確定。
(4) 爐子密封性不好、漏氣
與影響白亮層一樣，這點(diǎn)也是滲氮層不足的重要原因，空氣的進(jìn)入會(huì)直接影響氮原子的吸收和擴(kuò)散，這點(diǎn)工程技術(shù)人員悉知。
(5) 設(shè)備打弧
零件裝爐完畢，罩上爐罩，開啟真空泵抽真空，待真空度抽至50Pa以上后，即可通電起輝。整個(gè)離子氮化工藝過程大致分為打散弧清理、升溫、保溫三個(gè)階段。實(shí)際生產(chǎn)中，打弧現(xiàn)象主要集中在前兩個(gè)階段，如果電壓、峰值電流正常，不打“死弧”，工藝能順利通過，則對(duì)零件的質(zhì)量影響不大；如果在保溫階段頻繁打弧，且打弧嚴(yán)重影響到峰值電流、占空比等工藝參數(shù)使其波動(dòng)異常，就會(huì)直接影響零件的質(zhì)量，所以要求在保溫階段有一組相對(duì)穩(wěn)定的工藝參數(shù)值。
對(duì)于全自動(dòng)控制的離子氮化爐，操作者應(yīng)能正確地判斷各種不同的打弧情況，適時(shí)進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)，這對(duì)維持正常生產(chǎn)是非常必要的。手動(dòng)干預(yù)的主要方式有適當(dāng)降低電壓、氣壓，使打弧電流減小，直到打弧停止，如果手動(dòng)調(diào)整不能停止嚴(yán)重打弧，此時(shí)最大電流已不能維持工件升溫、保溫的需要。就必須停泵吊起爐罩，看清打弧源的位置，消除引起打弧的根源，才能重新恢復(fù)工藝過程。
生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)打死弧的主要原因有：裝爐量過大(即負(fù)載過大，峰值電流會(huì)急劇升高) 、小縫小孔處、電絕緣位置失效等。要想確保零件質(zhì)量，打死弧時(shí)需要及時(shí)停爐處理。
(6) 溫度差異與毛坯組織的影響
溫度差異和毛坯組織不理想是引起滲氮層不均勻的主要原因。如果爐內(nèi)上、中、下層溫度不均勻，控溫不好，會(huì)使同一爐的不同位置零件出現(xiàn)層深的差異，因此熱電偶的安裝位置、輔熱的布置、熱電偶的定期標(biāo)定等工作就顯得尤為重要了。試驗(yàn)證明，如果零件毛坯組織不均勻，出現(xiàn)嚴(yán)重的帶狀組織，晶粒粗大，都會(huì)使零件氮化后層深、硬度出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。理想毛坯要求：帶狀組織為A 級(jí)；晶粒度控制在8～9 級(jí)。
(7) 零件的清潔度影響
零件清洗不干凈，表面有清洗劑等殘留物，會(huì)影響氮原子的吸收甚至無法滲氮，還會(huì)引起嚴(yán)重打弧，所以零件表面清潔是保證滲氮產(chǎn)品合格的前提和基礎(chǔ)，是關(guān)鍵點(diǎn)。
理想的清潔方式是采用兩次清洗，第一次用普通清洗劑清洗零件表面的油污，暫時(shí)不烘干；第二次用脫離子水清洗，清洗濃度要控制在1% 以內(nèi)，且只能用吹氣的方式將零件吹干，保證零件表面清潔、無任何殘留物。
離子氮化設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝控制困難，在出現(xiàn)問題時(shí)借鑒他人的經(jīng)驗(yàn)?zāi)苁箚栴}得到快速解決。青島豐東熱處理有限公司專注于離子氮化設(shè)備制造與離子氮化熱處理工藝研發(fā)，在不斷的探索和實(shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，希望能與各位離子氮化人士進(jìn)行溝通和交流。
