離子滲氮具有滲氮速度快，滲層性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高鋼鐵金屬零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕性及抗燒性等性能。在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。
采用離子滲氮技術(shù)能進(jìn)一步提高汽車模具使用壽命，在模具表面形成一層比基體材料硬度和強(qiáng)韌性更高的耐疲勞滲氮提高模具抗熱變形和熱磨損的能力，使模具壽命大大延長。
近年來出現(xiàn)了一些新的離子滲氮、等離子體源技術(shù)，如活性屏離子滲氮、等離子體源離子滲氮技術(shù)有著明顯的設(shè)備和工藝優(yōu)勢，可能成為離子滲氮技術(shù)的發(fā)展方向。
汽車模具的特點(diǎn)
汽車模具一般分為兩大類：一是冷作模具，如汽車覆蓋件類模具；二是熱作模具，如汽車的一些配件熱鍛模具。
1.冷作模具
汽車制造業(yè)中大型冷作模具主要是汽車覆蓋件類模具，其外型尺寸大，質(zhì)量大，主要為鑄鐵或鑄鋼制造。這些模具的使用壽命主要取決于模具材料、制造和裝配精度以及模具表面的耐磨性。在汽車工業(yè)中，轎車大型覆蓋件拉延成型模具常用灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵或鑄鋼制造，模具外形尺寸達(dá)5-6m，模具單件質(zhì)量達(dá)20-30t。并且由于現(xiàn)代轎車覆蓋件模具正向高效長壽命和大型高精度方向發(fā)展，模具形狀愈來愈雜，對模具要求也越來越高。離子滲氮技術(shù)目前已經(jīng)成為大型鑄鐵新模具或維修舊模具延長其使用壽命和改善模具沖壓件質(zhì)量的主要手段。生產(chǎn)實(shí)踐表明，影響鑄鐵模具離子滲氮質(zhì)量的主要因素為模具滲氮前表面凈化處理、滲氮后的表面加工、化合物層厚度和次表層硬化效果。
2.熱作模具
汽車熱作模具種類繁多，模具工作條件和失效形式復(fù)雜。此類熱鍛模具在熱態(tài)下工作時，模具工作表面要承受反復(fù)的加熱和冷卻，產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力；同時還需反復(fù)承受不同程度的機(jī)械應(yīng)力，尤其要承受很大的動載應(yīng)力，使模具材料內(nèi)部受到交變的拉壓應(yīng)力，從而使金屬組織內(nèi)產(chǎn)生晶格空位，逐步形成微細(xì)裂紋，造成型腔龜裂。另外，由于模具冷卻不佳，會發(fā)生粘?，F(xiàn)象，使模具表面溫度升高，塑性增加，模腔在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力不斷的作用下，產(chǎn)生型腔變形。一般來說，汽車熱作模具使用壽命都比較低。為了延長模具使用壽命，必須正確選擇模具材料，改善原材料質(zhì)量和采用先進(jìn)的熱處理工藝，提高模具熱處理質(zhì)量，模具的正確裝配和操作也是重要因素。并非所有模具都需要或都適合表面強(qiáng)化處理，不正確的表面強(qiáng)化處理可能造成模具過早失效。
活性屏離子滲氮技術(shù)
1999年，盧森堡的Georges J發(fā)明了活性屏離子滲氮技術(shù)?；钚云岭x子滲氮設(shè)備的爐體為陽極，金屬屏為陰極，接直流或脈沖電壓，而工件置于金屬屏內(nèi)部懸浮，金屬屏由不銹鋼絲結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其原理是將高壓電源的負(fù)極接在真空室內(nèi)金屬屏上，被處理的工件置于金屬屏內(nèi)，當(dāng)金屬屏接通高壓電源后，低壓反應(yīng)室內(nèi)的氣體被電離，在電場的作用下，被激活的氣體離子轟擊金屬屏使金屬屏升溫；同時，在離子轟擊下不斷有鐵或鐵的氮化物微粒被濺射出來，以微粒的形式沉積到工件表面，微粒中的氮向工件內(nèi)部擴(kuò)散，達(dá)到滲氮的目的。在活性屏離子滲氮過程中，金屬屏同時起到兩個作用：一是通過輻射將工件加熱到滲氮處理所需的溫度；二是向工件表面提供鐵或鐵的氮化物微粒。
活性屏離子滲氮技術(shù)的特點(diǎn)是：在滲氮過程中，工件處于懸浮狀態(tài)，離子轟擊金屬屏而不是工件本身。與常規(guī)離子滲氮相比，該技術(shù)可以處理不同形狀的工件，并能消除邊緣效應(yīng)以及空心陰極效應(yīng)，還能方便地測量工件的溫度等。
離子滲氮設(shè)備
離子滲氮設(shè)備一般由爐體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。
設(shè)備參數(shù)：離子滲氮設(shè)備的工作參數(shù)隨爐體的大小而有所不同。影響滲氮工藝的參數(shù)主要有電源總功率、直流輸出電壓、整流最大輸出電流、脈沖輸出電壓、脈沖輸出最大峰值電流、脈沖頻率等。整個系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)對工藝處理過程進(jìn)行自動控制、自動完成，設(shè)備可靠、處理質(zhì)量穩(wěn)定。
離子滲氮設(shè)備節(jié)能改造：離子滲氮消耗的能量主要有電能和熱能，節(jié)能設(shè)備改造主要從降低電能和熱能的消耗角度考慮。
模具滲氮生產(chǎn)實(shí)例
汽車熱制作模具種類繁多，模具工作條件和失效形式復(fù)雜，模具工作表面要承受反復(fù)的加熱和冷卻，因而一般汽車熱作模具使用壽命都比較低。現(xiàn)以汽車某一熱擠壓齒輪模滲氮為例，介紹滲氮工藝及其具體的操作過程。
離子滲氮設(shè)備：模具離子滲氮用直徑1000mm自動控制脈沖電源離子滲氮爐。并對離子滲氮爐進(jìn)行了節(jié)能改造，增加保溫屏。
滲氮工藝：
(1)滲氮前的熱處理。熱擠壓齒輪模滲氮前的具體熱處理工藝為：首先加熱到1050℃后淬火，然后進(jìn)行2-3次回火處理，回火溫度為580℃。此時膜具的硬度為400-450HV。必須注意熱處理中回火工序的加熱溫度至少要比滲氮溫度高20℃一40℃。否則，模具在氮化過程中，由于氮化溫度超過了回火溫度，使回火后的基體組織及力學(xué)性能發(fā)生變化，零件產(chǎn)生無規(guī)律變形。
(2)把模具表面進(jìn)行去污、脫油處理，再裝爐。抽真空，當(dāng)真空度為10-20Pa時，通NH3，當(dāng)氣壓為500Pa時開啟電源，設(shè)定放電電壓為760-780V，繼續(xù)通氣，當(dāng)氣壓達(dá)到2000-3000Pa時停止通氣。同時升溫到520℃，保溫10-11h后關(guān)機(jī)取出模具。
(3)溫度控制。對于熱擠壓模，它的滲氮溫度一般為510℃-550℃。雖然滲氮層的厚度隨滲氮處理溫度的升高而增加，但其抗腐蝕性能則隨著滲氮處理溫度的升高而下降。因此滲氮溫度過高反而不好，它會使氮化物粗化、表層硬度下降并降低抗粘模能力；而同時滲氮溫度低時滲氮層薄，滿足不了使用要求。
(4)滲氮時間。為了提高熱擠壓齒輪模具的壽命，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，要求模具的滲層深度達(dá)到0.2-0.3mm，所以需要滲氮10-11h，滲氮這么長時間后能達(dá)到所要求的厚度。
(5)滲氮?dú)夥?。熱擠壓齒輪模的滲氮?dú)夥諡榧僋H3，主要是因?yàn)槭褂眉僋H3非常方便，價(jià)格便宜，并且獲得滲層組織硬度高，耐磨性好但用純NH3容易造成零件溫度不均勻(受分解率的影響)，并且滲氮層的組織無法控制，滲層脆性大，因此只適于要求不高的模具。熱擠壓齒輪模疲勞強(qiáng)度較低，不受沖擊載荷，所以使用NH3能滿足使用要求。
(6)氣體壓力。熱擠壓齒輪模的滲氮壓力約為2000-3000Pa，比常用離子滲氮壓力高，這樣既可以加快離子滲氮速度，又可以使?fàn)t里溫度均勻。
(7)放電電壓。熱擠壓齒輪模采用的放電電壓為760-780V。電壓越高，離子的能量就越大，因此放電電壓能加快離子滲氮速度，影響零件尺寸，使膨脹量增大。
(8)離子滲氮電源。熱擠壓齒輪模采用的脈沖電源，因?yàn)槊}沖電源較傳統(tǒng)的直流電源相比，它有利于對復(fù)雜表面進(jìn)行離子滲氮，保證零件表面不受弧光損傷、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，所以目前國內(nèi)大多數(shù)采用脈沖電源。
使用效果：熱擠壓齒輪模經(jīng)過離子滲氮后，表面硬度提高了近200HV左右。裝配好后試機(jī)試生產(chǎn)表明，經(jīng)過離子滲氮后，熱擠壓齒輪模具能夠擠壓生產(chǎn)零件2000-2200個，而沒有進(jìn)行離子滲氮的模具只能擠壓生產(chǎn)零件800-1000個，模具壽命提高了2倍多。
采用離子滲氮技術(shù)能進(jìn)一步提高汽車模具使用壽命，在模具表面形成一層比基體材料硬度和強(qiáng)韌性更高的耐疲勞滲氮層，可以在保持模具表面減少熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展前提下，充分發(fā)揮離子滲氮提高模具抗熱變形和熱磨損的能力，使模具壽命大大延長。
（轉(zhuǎn)載）
