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离子渗氮速度为何比气体渗氮速度快得多?

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  • 发布时间:2018-06-23 15:35
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离子渗氮速度为何比气体渗氮速度快得多?

【概要描述】离子渗氮可以大大缩短渗氮时间,特别是浅层渗氮时其效果更为明显,例如渗氮层深度在0.3~0.5mm时,离子渗氮所需时间仅为普通气体渗氮时间的1/3~1/5。  目前,对离子渗氮渗速快的原因,有以下一些解释和分析:  一种观点认为,离子轰击阴极时,N+在阴极位降区被加速,使之具有很高的能量。例如,当电压为800V时,离子能量相当于520℃气体渗氮时的游离氮原子能量的3000倍。这种高能离子冲击阴极工件

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  离子渗氮可以大大缩短渗氮时间,特别是浅层渗氮时其效果更为明显,例如渗氮层深度在0.3~0.5mm时,离子渗氮所需时间仅为普通气体渗氮时间的1/3~1/5。
  目前,对离子渗氮渗速快的原因,有以下一些解释和分析:
  一种观点认为,离子轰击阴极时,N+在阴极位降区被加速,使之具有很高的能量。例如,当电压为800V时,离子能量相当于520℃气体渗氮时的游离氮原子能量的3000倍。这种高能离子冲击阴极工件表面,将产生一系列物理和化学现象,这些现象对离子渗氮起着重要作用。例如产生二次电子发射、阴极溅射、阴极被加热、气体的解析与分解、表面晶格变形等,并在金属表面形成深度约为0.05mm左右的密度很高的位错缺陷,正是这一薄层位错的形成对氮的扩散起了重要作用。这是因为,在渗氮过程中,表面形成的几个至十几个微米厚的ε相或γ‘相化合物层,将阻碍氮向金属内部的扩散(氮在ε相中的扩散速度比在α相中慢60倍,在γ’相中的扩散速度比在α相中慢25.5倍)。离子渗氮时,由于离子冲击作用,使ε相和γ‘相层中产生了大量与表面垂直的位错管道,这种位错管道有利于氮的扩散。只要ε相和γ’相层厚度不超过这种位错影响区的厚度,这种有利作用总是存在的。
  另一种观点认为,离子渗氮加速氮原子扩散的原因是由于离子渗氮时,金属表面的活性氮原子浓度高于气体渗氮,而且氮原子的扩散路径也与气体渗氮有所不同。气体渗氮初期是沿晶界扩散为主,但由于晶界上有较多的碳化物,在氮扩散过程中形成碳氮化物,阻碍了氮的进一步扩散。而在离子渗氮的情况下,除了晶界扩散外,还有晶内扩散,在晶界内碳化物较少,且扩散面积较大,不易引起碳氮化物的阻塞作用,因此加速了氮的扩散过程。
  此外,阴极溅射和氢的还原作用,使表面的氧化物和碳化物被溅射或还原,从而得到活性很高的洁净表面,使渗氮反应更加活跃,这对高中碳钢和不锈钢的渗氮具有重要作用。

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