離子滲氮工藝對設備是有基本要求的，主要包括：
(1) 真空度：設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)由兩臺旋片式機械真空泵、真空電磁閥、電動真空蝶閥、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，壓升的標準為≤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行和設備安全。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。打弧的主要特點是低電壓、大電流放電，對于電源來說類似于短路，所以要求設備具有良好的滅弧性能，保護零件和設備不被損壞。
(4) 水冷卻：真空爐體設計循環(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，提高設備綜合利用率。
(5) 隔熱保溫：真空爐體設計安裝有隔熱屏，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，主要是因為質(zhì)量流量計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、滲氮氣氛的影響
離子滲氮氣氛中氮和碳的含量是影響化合物層相結(jié)構(gòu)的重要因素。
氣氛含氮量對化合物層相結(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)驗最佳的N2：H2比例為4：1。含碳量對化合物層的影響：氣氛中添加含碳氣體將抑制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相就會減少直到完全消失。離子滲氮需要嚴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間延長而增厚，保溫24h后，這種趨勢仍然保持著。所以保溫時間對化合物層的影響程度要根據(jù)平時調(diào)試設備時的經(jīng)驗來總結(jié)，每種產(chǎn)品在不同的設備中會有些差異。
4、滲氮溫度的影響
40Cr 鋼滲氮時，從500℃上升到560℃，化合物層中ε和γ'均增加；當上升到580～600℃時，ε相忽然減少，γ'相數(shù)量猛增；當溫度上升到620℃時，γ'相數(shù)量急劇減少；而當溫度上升到650℃以上時，則化合物層分解。這點也是要積累調(diào)試驗，做好設備檔案，供分析問題時參考。
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，化合物層中ε相含量最多；如果氣壓值上升到120 Pa以上時，化合物層則會急劇減少。
6、設備的密封性的影響
如果爐內(nèi)進入空氣，空氣中大量的O2會優(yōu)先與Fe形成化合物，就會直接影響氮化物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。設備的主要漏氣點有：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)量流量計接頭部位或其他密封部位。鐘罩式離子氮化設備的壓升在實際生產(chǎn)中最好≤0.12 Pa /min(要憋壓30 min 以上) ，設備作業(yè)指導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力狀態(tài)，能顯著提高鋼的耐磨性與疲勞強度，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。實際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到無氮化層或?qū)由畈缓细竦膯栴}，主要原因分析如下：
(1) 滲氮溫度偏低，保溫時間不夠在生產(chǎn)中，如果因儀表控制不當，未能達到工藝要求的溫度，而保溫時間仍按工藝文件執(zhí)行；或滲氮溫度是正確的，而滲氮時間小于工藝文件規(guī)定的時間，都可能造成滲氮層不足。所以在生產(chǎn)中要定期校驗儀表，嚴格控制工藝參數(shù)，按工藝要求執(zhí)行。
(2) 活性N 原子不足
如果氮氫比例不當，氮原子偏少，則在爐中可供滲氮的離子過少，會降低滲氮速度，使?jié)B氮層的深度降低。還有設備打弧嚴重，也會使活性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，例如擺放位置不合理、裝爐量太大，都會造成溫度不均勻，溫度偏低處的層深則減少；還有如果零件擺放太近，會影響輝光離子的流動，從而降低了氮化速度。這兩點都會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)實踐和經(jīng)驗的積累來確定。
(4) 爐子密封性不好、漏氣
與影響白亮層一樣，這點也是滲氮層不足的重要原因，空氣的進入會直接影響氮原子的吸收和擴散，這點工程技術(shù)人員悉知。
(5) 設備打弧
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。整個離子氮化工藝過程大致分為打散弧清理、升溫、保溫三個階段。實際生產(chǎn)中，打弧現(xiàn)象主要集中在前兩個階段，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，且打弧嚴重影響到峰值電流、占空比等工藝參數(shù)使其波動異常，就會直接影響零件的質(zhì)量，所以要求在保溫階段有一組相對穩(wěn)定的工藝參數(shù)值。
對于全自動控制的離子氮化爐，操作者應能正確地判斷各種不同的打弧情況，適時進行手動干預，這對維持正常生產(chǎn)是非常必要的。手動干預的主要方式有適當降低電壓、氣壓，使打弧電流減小，直到打弧停止，如果手動調(diào)整不能停止嚴重打弧，此時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，才能重新恢復工藝過程。
生產(chǎn)實踐中總結(jié)打死弧的主要原因有：裝爐量過大(即負載過大，峰值電流會急劇升高) 、小縫小孔處、電絕緣位置失效等。要想確保零件質(zhì)量，打死弧時需要及時停爐處理。
(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、熱電偶的定期標定等工作就顯得尤為重要了。試驗證明，如果零件毛坯組織不均勻，出現(xiàn)嚴重的帶狀組織，晶粒粗大，都會使零件氮化后層深、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；晶粒度控制在8～9 級。
(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，會影響氮原子的吸收甚至無法滲氮，還會引起嚴重打弧，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。
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。
離子氮化設備結(jié)構(gòu)復雜，工藝控制困難，在出現(xiàn)問題時借鑒他人的經(jīng)驗能使問題得到快速解決。青島豐東熱處理有限公司專注于離子氮化設備制造與離子氮化熱處理工藝研發(fā)，在不斷的探索和實踐中積累了大量的經(jīng)驗，希望能與各位離子氮化人士進行溝通和交流。
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