农业机械零件表面硬度强化的新型辉光离子氮化工艺系统研究*

毕俊召 ，邹红亮

（吉林电子信息职业技术学院机械工程学院，吉林 吉林 132000）

大量试验研究证明，辉光离子氮化技术是目前针对金属材料表面硬度强化工艺的最佳技术[1]，其特点是工作温度低、材料变形量微小，而且加工费相对比较低廉[2]。该技术起源于德国工业领域，而后在20世纪六七十年代得到快速发展，辉光离子氮化作为强化金属表面硬度的一种特种加工工艺，是利用辉光放电现象将含氨气分子电离后产生的氮离子轰击零件表面加热并进行氮化，获得表面氮化膜的离子化学热处理工艺[3-5]，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等金属材料[6-7]。随着农业的快速发展，农业生产对于农业机械的质量提出了更高的要求。为了提高农业机械零件的质量，促进农业机械整体水平的提高，增强市场竞争力，课题组对现有辉光离子氮化工艺系统进行改进，设计制造了全新的氨气分子电解拆分式辉光离子氮化特种热处理工艺炉。

1 辉光离子氮化技术改进概述

课题组针对目前应用的辉光离子氮化技术与工艺系统在实际运用过程中发现的弊端进行技术改造，以辉光离子氮化技术系统为基础，研发真空式氨气分子高压电弧电解拆分器，与目前市场上广泛使用的氮化工艺炉相融合并加以改造，制成全新的氨气分子电解拆分式辉光离子氮化特种热处理工艺炉[8-11]。从原理上对目前的辉光离子氮化技术进行升级改造，解决了加工效率低的问题。本设备可应用于农业机械零件表面的精密超硬强化加工，能够在金属表面形成一层厚度约0.3 mm 的氮化膜，硬度超过800HV0.1，大幅度提高了辉光离子氮化的加工效率，且精度高达IT6至IT5。

2 辉光离子氮化技术的改进原理与系统结构

本项目独创的真空式氨气分子高压电弧电解拆分器的结构组成如下：在普通分子拆分器的内壁设计一层绝缘层，防止触电引发生产事故，内部安装分子与离子的过滤网，将拆分器内部分隔成两个空间，上半部分容纳氨气分子，下半部分容纳N-（氮离子）和H+（氢离子）。高压电弧在容纳氨气分子的空间内持续放电，电解氨气分子生成N-和H+，因为具有分子与离子过滤网的设计，电解后的N-和H+通过过滤网的网孔进入拆分器的下半部分空间，而氨气分子由于体积大无法通过，容纳N-和H+的下半部分空间在风泵的加压下，N-和H+沿着离子入炉通道进入辉光离子氮化炉；并在离子入炉通道部分设计了氢离子强力吸附层，吸附层的材料成分是h-BN 纳米空洞管及三乙炔苯共轭聚合物，严格保证了输入辉光离子氮化炉的材料完全是氮离子，整个氨气分子电解拆分器的结构设计精密巧妙，功能合理。氨气分子电解拆分器系统结构如图1所示。

图1 氨气分子电解拆分器系统结构原理图

电解得到的N-和H+在风泵的加压下进入离子入炉通道，经过氢离子吸附层对氢离子与氮离子的混合物再一次过滤后，所有的氮离子进入辉光离子氮化炉，源源不断的N-附着于显阳性的金属材料表面并形成要求厚度的氮化膜，一般为0.3 mm，硬度极高，达800HV0.1 以上。辉光离子氮化特种热处理工艺系统原理如图2所示。

图2 辉光离子氮化特种热处理工艺系统原理图

3 创新后的系统技术分析

辉光离子氮化系统创新改造的核心技术涉及材料化学、金属材料学、金相学、特种热处理技术、气体电解拆分技术、离子过滤技术、离子吸附技术、氮化工艺技术、辉光发生技术、硬度检测技术等多学科、跨领域的综合专业知识。

分子与离子过滤网网孔的尺寸需与N-、H+以及氨气分子的体积相配合，既能阻拦大体积的氨气分子，又能顺利过滤N-和H+，而N-、H+以及氨气分子的体积极难测量，属于微观技术领域，因此过滤网的制造成本极为昂贵，并且难以仿制，这是本项目最大的技术亮点。因为过滤网的存在，氨气分子无法通过，只能储存于拆分器的上半部分，因此氨气利用率极高，无法直接进入辉光离子氮化炉内，随着氨气源源不断输入拆分器，则会被电解成源源不断的N-与H+，因此大大提高了氮化效率。

辉光离子氮化的最终目的是要在金属材料表面形成要求厚度的氮化膜，需要的原料仅为氮离子，因此为了进一步提高氮化效率，需要将多余的氢离子消除。本项目在独创的氨气分子电解拆分器的末端融入了氢离子强力吸附技术，将吸附材料设置在离子入炉通道部分，吸附材料的成分是中科院大连化学物理研究所独家研发的h-BN 纳米空洞管及三乙炔苯共轭聚合物，对氢离子具有强力的吸附作用，经过对氢离子与氮离子混合物的再一次过滤，进入辉光离子氮化炉的原料全部为氮离子，进一步提高了氮化的效率。

氢离子强力吸附材料没有设置在氨气分子电解拆分器的离子容纳腔，而是设置在离子入炉通道部分，这样做的原因是：氨气分子电解拆分器上半部分的氨气分子在上万伏的高压电的轰击下形成离子，下半部分的离子容纳腔因为与上半部分的氨气分子容纳腔相连，仅用分子离子过滤网分隔，因此高压电产生的热量充满整个氨气分子电解拆分器的内部；离子容纳腔内的温度随着工作时间的延续会逐渐升高，氢离子强力吸附材料是非金属材质的柔性聚合物，耐热性较差，如果设置在离子容纳腔，虽然对氢离子的吸附效率更高，但是有被烧毁的巨大隐患，可能导致氢离子强力吸附材料损毁，失去氢离子吸附作用。

本项目消除氢离子没有使用氢氧根离子以及碳酸钠溶液，从价格角度考虑，使用这种纯化学反应的方法消除氢离子是最为经济、最为简便的手段，但是无论使用氢氧根离子还是碳酸钠溶液，与氢离子化合反应后都有共同的产物：水。由于氨气分子电解拆分器在工作时，整个系统内部的工作电压高达上万伏，而水为导电介质，且对金属部件具有锈蚀作用，更有沿着离子入炉通道进入辉光离子氮化炉的可能，引发炉内辉光放电后出现闪爆及炉外漏电的危险，损坏整个辉光离子氮化系统。因此，绝对不能用氢氧根离子以及碳酸钠溶液消除氢离子。

本项目另一大技术亮点就是制造N-的气源是氨气，而不是氮气。从理论上来说，如果将氨气换成氮气，则不会生成H+，而全是N-，而N-进入辉光离子氮化炉，加工效率可提升1~2 倍。但是氮气是惰性气体，组成氮气分子的氮原子间的共价键结合得极其紧密，断键能量极高，氮气分子断键可比拟于微观世界的核爆反应，电解拆分氮气分子所需的高压电数值远远大于预期，会产生极高的温度，并对整个分子拆分器各部分构件及整体的耐热性提出严峻的考验。因此，制造拆分器的材料成本将数倍甚至数十倍增长，而且能耗极高，加工成本陡然上升。而氨气分子具有不稳定性，易于分解，N-、H+的共价键结合不紧密，甚至可以将N-、H+的共价键视为离子键，极易断键，电解氨气成本低，易于实现预期效果，因此使用氨气最为合适。

该系统为一体纯机械件的组合结构，主要是由氨气气源发生器、电控柜、氨气分子拆分器、电源、管路、辉光离子氮化炉等部分组成，除电控柜外不涉及任何电子元件和其他易出故障的精密元件。因此，该系统质量稳定，故障率极低，持久耐用，更换容易，不存在电子元件频繁故障以及机械系统疲劳失效等负面效应，并且该系统使用过程中绿色环保、节约能耗。

4 结语

农业机械零件经新型氮化处理炉离子氮化处理后，材料表面的硬度得到了显著提高，从而使农业机械具有高的耐磨性、疲劳强度、抗蚀能力及抗烧伤性等。该技术推广后可提高农业机械零件的质量，促进农业机械整体水平的提高，增强其市场竞争力；还可以推动农业机械生产行业、热处理加工行业、特种材料加工行业等相关行业的经济增长，间接增加社会就业岗位，促进社会一定数量剩余劳动力的就业，同时也带动职业技能培训行业的发展。