農(nóng)業(yè)機(jī)械零件表面硬度強(qiáng)化的新型輝光離子氮化工藝系統(tǒng)研究*

畢俊召 ，鄒紅亮

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132000）

大量試驗(yàn)研究證明，輝光離子氮化技術(shù)是目前針對(duì)金屬材料表面硬度強(qiáng)化工藝的最佳技術(shù)[1]，其特點(diǎn)是工作溫度低、材料變形量微小，而且加工費(fèi)相對(duì)比較低廉[2]。該技術(shù)起源于德國(guó)工業(yè)領(lǐng)域，而后在20世紀(jì)六七十年代得到快速發(fā)展，輝光離子氮化作為強(qiáng)化金屬表面硬度的一種特種加工工藝，是利用輝光放電現(xiàn)象將含氨氣分子電離后產(chǎn)生的氮離子轟擊零件表面加熱并進(jìn)行氮化，獲得表面氮化膜的離子化學(xué)熱處理工藝[3-5]，廣泛適用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等金屬材料[6-7]。隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量提出了更高的要求。為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體水平的提高，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，課題組對(duì)現(xiàn)有輝光離子氮化工藝系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)制造了全新的氨氣分子電解拆分式輝光離子氮化特種熱處理工藝爐。

1 輝光離子氮化技術(shù)改進(jìn)概述

課題組針對(duì)目前應(yīng)用的輝光離子氮化技術(shù)與工藝系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn)的弊端進(jìn)行技術(shù)改造，以輝光離子氮化技術(shù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研發(fā)真空式氨氣分子高壓電弧電解拆分器，與目前市場(chǎng)上廣泛使用的氮化工藝爐相融合并加以改造，制成全新的氨氣分子電解拆分式輝光離子氮化特種熱處理工藝爐[8-11]。從原理上對(duì)目前的輝光離子氮化技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造，解決了加工效率低的問題。本設(shè)備可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械零件表面的精密超硬強(qiáng)化加工，能夠在金屬表面形成一層厚度約0.3 mm 的氮化膜，硬度超過800HV0.1，大幅度提高了輝光離子氮化的加工效率，且精度高達(dá)IT6至IT5。

2 輝光離子氮化技術(shù)的改進(jìn)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目獨(dú)創(chuàng)的真空式氨氣分子高壓電弧電解拆分器的結(jié)構(gòu)組成如下：在普通分子拆分器的內(nèi)壁設(shè)計(jì)一層絕緣層，防止觸電引發(fā)生產(chǎn)事故，內(nèi)部安裝分子與離子的過濾網(wǎng)，將拆分器內(nèi)部分隔成兩個(gè)空間，上半部分容納氨氣分子，下半部分容納N-（氮離子）和H+（氫離子）。高壓電弧在容納氨氣分子的空間內(nèi)持續(xù)放電，電解氨氣分子生成N-和H+，因?yàn)榫哂蟹肿优c離子過濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)，電解后的N-和H+通過過濾網(wǎng)的網(wǎng)孔進(jìn)入拆分器的下半部分空間，而氨氣分子由于體積大無(wú)法通過，容納N-和H+的下半部分空間在風(fēng)泵的加壓下，N-和H+沿著離子入爐通道進(jìn)入輝光離子氮化爐；并在離子入爐通道部分設(shè)計(jì)了氫離子強(qiáng)力吸附層，吸附層的材料成分是h-BN 納米空洞管及三乙炔苯共軛聚合物，嚴(yán)格保證了輸入輝光離子氮化爐的材料完全是氮離子，整個(gè)氨氣分子電解拆分器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精密巧妙，功能合理。氨氣分子電解拆分器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氨氣分子電解拆分器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

電解得到的N-和H+在風(fēng)泵的加壓下進(jìn)入離子入爐通道，經(jīng)過氫離子吸附層對(duì)氫離子與氮離子的混合物再一次過濾后，所有的氮離子進(jìn)入輝光離子氮化爐，源源不斷的N-附著于顯陽(yáng)性的金屬材料表面并形成要求厚度的氮化膜，一般為0.3 mm，硬度極高，達(dá)800HV0.1 以上。輝光離子氮化特種熱處理工藝系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 輝光離子氮化特種熱處理工藝系統(tǒng)原理圖

3 創(chuàng)新后的系統(tǒng)技術(shù)分析

輝光離子氮化系統(tǒng)創(chuàng)新改造的核心技術(shù)涉及材料化學(xué)、金屬材料學(xué)、金相學(xué)、特種熱處理技術(shù)、氣體電解拆分技術(shù)、離子過濾技術(shù)、離子吸附技術(shù)、氮化工藝技術(shù)、輝光發(fā)生技術(shù)、硬度檢測(cè)技術(shù)等多學(xué)科、跨領(lǐng)域的綜合專業(yè)知識(shí)。

分子與離子過濾網(wǎng)網(wǎng)孔的尺寸需與N-、H+以及氨氣分子的體積相配合，既能阻攔大體積的氨氣分子，又能順利過濾N-和H+，而N-、H+以及氨氣分子的體積極難測(cè)量，屬于微觀技術(shù)領(lǐng)域，因此過濾網(wǎng)的制造成本極為昂貴，并且難以仿制，這是本項(xiàng)目最大的技術(shù)亮點(diǎn)。因?yàn)檫^濾網(wǎng)的存在，氨氣分子無(wú)法通過，只能儲(chǔ)存于拆分器的上半部分，因此氨氣利用率極高，無(wú)法直接進(jìn)入輝光離子氮化爐內(nèi)，隨著氨氣源源不斷輸入拆分器，則會(huì)被電解成源源不斷的N-與H+，因此大大提高了氮化效率。

輝光離子氮化的最終目的是要在金屬材料表面形成要求厚度的氮化膜，需要的原料僅為氮離子，因此為了進(jìn)一步提高氮化效率，需要將多余的氫離子消除。本項(xiàng)目在獨(dú)創(chuàng)的氨氣分子電解拆分器的末端融入了氫離子強(qiáng)力吸附技術(shù)，將吸附材料設(shè)置在離子入爐通道部分，吸附材料的成分是中科院大連化學(xué)物理研究所獨(dú)家研發(fā)的h-BN 納米空洞管及三乙炔苯共軛聚合物，對(duì)氫離子具有強(qiáng)力的吸附作用，經(jīng)過對(duì)氫離子與氮離子混合物的再一次過濾，進(jìn)入輝光離子氮化爐的原料全部為氮離子，進(jìn)一步提高了氮化的效率。

氫離子強(qiáng)力吸附材料沒有設(shè)置在氨氣分子電解拆分器的離子容納腔，而是設(shè)置在離子入爐通道部分，這樣做的原因是：氨氣分子電解拆分器上半部分的氨氣分子在上萬(wàn)伏的高壓電的轟擊下形成離子，下半部分的離子容納腔因?yàn)榕c上半部分的氨氣分子容納腔相連，僅用分子離子過濾網(wǎng)分隔，因此高壓電產(chǎn)生的熱量充滿整個(gè)氨氣分子電解拆分器的內(nèi)部；離子容納腔內(nèi)的溫度隨著工作時(shí)間的延續(xù)會(huì)逐漸升高，氫離子強(qiáng)力吸附材料是非金屬材質(zhì)的柔性聚合物，耐熱性較差，如果設(shè)置在離子容納腔，雖然對(duì)氫離子的吸附效率更高，但是有被燒毀的巨大隱患，可能導(dǎo)致氫離子強(qiáng)力吸附材料損毀，失去氫離子吸附作用。

本項(xiàng)目消除氫離子沒有使用氫氧根離子以及碳酸鈉溶液，從價(jià)格角度考慮，使用這種純化學(xué)反應(yīng)的方法消除氫離子是最為經(jīng)濟(jì)、最為簡(jiǎn)便的手段，但是無(wú)論使用氫氧根離子還是碳酸鈉溶液，與氫離子化合反應(yīng)后都有共同的產(chǎn)物：水。由于氨氣分子電解拆分器在工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的工作電壓高達(dá)上萬(wàn)伏，而水為導(dǎo)電介質(zhì)，且對(duì)金屬部件具有銹蝕作用，更有沿著離子入爐通道進(jìn)入輝光離子氮化爐的可能，引發(fā)爐內(nèi)輝光放電后出現(xiàn)閃爆及爐外漏電的危險(xiǎn)，損壞整個(gè)輝光離子氮化系統(tǒng)。因此，絕對(duì)不能用氫氧根離子以及碳酸鈉溶液消除氫離子。

本項(xiàng)目另一大技術(shù)亮點(diǎn)就是制造N-的氣源是氨氣，而不是氮?dú)狻睦碚撋蟻碚f，如果將氨氣換成氮?dú)猓瑒t不會(huì)生成H+，而全是N-，而N-進(jìn)入輝光離子氮化爐，加工效率可提升1~2 倍。但是氮?dú)馐嵌栊詺怏w，組成氮?dú)夥肿拥牡娱g的共價(jià)鍵結(jié)合得極其緊密，斷鍵能量極高，氮?dú)夥肿訑噫I可比擬于微觀世界的核爆反應(yīng)，電解拆分氮?dú)夥肿铀璧母邏弘姅?shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期，會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，并對(duì)整個(gè)分子拆分器各部分構(gòu)件及整體的耐熱性提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，制造拆分器的材料成本將數(shù)倍甚至數(shù)十倍增長(zhǎng)，而且能耗極高，加工成本陡然上升。而氨氣分子具有不穩(wěn)定性，易于分解，N-、H+的共價(jià)鍵結(jié)合不緊密，甚至可以將N-、H+的共價(jià)鍵視為離子鍵，極易斷鍵，電解氨氣成本低，易于實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，因此使用氨氣最為合適。

該系統(tǒng)為一體純機(jī)械件的組合結(jié)構(gòu)，主要是由氨氣氣源發(fā)生器、電控柜、氨氣分子拆分器、電源、管路、輝光離子氮化爐等部分組成，除電控柜外不涉及任何電子元件和其他易出故障的精密元件。因此，該系統(tǒng)質(zhì)量穩(wěn)定，故障率極低，持久耐用，更換容易，不存在電子元件頻繁故障以及機(jī)械系統(tǒng)疲勞失效等負(fù)面效應(yīng)，并且該系統(tǒng)使用過程中綠色環(huán)保、節(jié)約能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)機(jī)械零件經(jīng)新型氮化處理爐離子氮化處理后，材料表面的硬度得到了顯著提高，從而使農(nóng)業(yè)機(jī)械具有高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕能力及抗燒傷性等。該技術(shù)推廣后可提高農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體水平的提高，增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；還可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)、熱處理加工行業(yè)、特種材料加工行業(yè)等相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，間接增加社會(huì)就業(yè)崗位，促進(jìn)社會(huì)一定數(shù)量剩余勞動(dòng)力的就業(yè)，同時(shí)也帶動(dòng)職業(yè)技能培訓(xùn)行業(yè)的發(fā)展。