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離子化學熱處理基礎知識及操作工藝原理

離子熱處理夢幻般美麗的輝光

低壓容器內的稀薄工作氣體，在電場的作用下會產生輝光放電，放電的時候，帶電離子轟擊工件表面，使工件表面溫度升高，從而實現所需原子滲入工件表面，這種化學熱處理方法，稱之為離子化學熱處理。

與常規化學熱處理相比，離子化學熱處理具有許多突出的特點：

滲層質量高、

處理溫度范圍寬、

工藝可控性強、

工件變形小、

易于實現局部防滲、

滲速快，生產周期短，可節約時間15%~50%、

熱效率高，一般可節能30%以上、

工作氣體耗量少，節省常規方法所需工作氣體的70%~90%、

無煙霧、廢氣污染，處理后工件和夾具潔凈、

工作環境好、

柔性好，便于組合生產線。

因此，自20世紀60年代離子化學熱處理獲得工業應用以來，該技術得到了飛速發展，已成為化學熱處理中一個重要的分支。

一、離子化學熱處理基礎

1.1 輝光放電

輝光放電，是一種伴有柔和輝光的氣體放電現象。它是在數百帕的低壓氣體中通過激發電場內氣體的原子和分子而產生的持續放電。真空容器中的氣體放電不符合歐姆定律，其電流與電壓之間的關系，可用稀薄氣體放電的伏-安特性曲線描述，詳見圖1。在含有稀薄氣體的真空容器兩極間施加電壓，開始階段電流變化并不明顯，當電壓達到c點時，陰陽極間電流突然增大，陰極部分表面開始產生輝光，電壓下降；隨后電源電壓提高，陰極表面覆蓋的輝光面積增大，電流增加，但兩極間的電壓不變，至圖中d點，陰極表面完全被輝光覆蓋；此后，電流增加，極間電壓隨之增加，超過e點，電流劇烈增大，極間電壓陡降，輝光熄滅，陰極表面出現弧光放電。c點對應的電壓稱為輝光點燃電壓。在Oc段，氣體放電靠外加電壓維持，稱為非自持放電；超過 c點即不需要外加電離源, 而是靠極間電壓使得稀薄氣體中的電子或離子碰撞電離而維持放電, 稱為自持放電。從輝光點燃至d點, 稱為正常輝光區, de段為異常輝光區。離子化學熱處理工作在異常輝光區, 在此區間, 可保持輝光均勻覆蓋工件表面, 且可通過改變極間電壓及陰極表面電流密度, 實現工藝參數調節。

▲圖1 稀薄氣體放電伏-安特性曲線

氣體性質、電極材料及溫度一定時，輝光點燃電壓與氣體壓強 p 和極間距離 d 的乘積有關，描述這種關系的曲線稱為巴興曲線，見圖2 。采用氨氣進行離子滲氮，在室溫下 p×d=655Pa·mm時，點燃電壓有一最低值，約為400V；當 p×d＜1.33×102 Pa·mm 時，點燃電壓可達1000V以上。由此可知，實現輝光放電應有足夠的電壓，例子滲氮的點燃電壓一般為 400V~500V 。

▲圖2 輝光放電點燃電壓與氣體壓強及兩極間距乘積的關系

進入自持放電階段之后，陰極間的輝光分布并不均勻, 有發光部位和暗區，見圖3。從陰極發射出的電子雖然被陰極位降加速，因剛離開陰極時速度很小，不能產生激發，形成無發光現象的阿斯頓暗區；在陰極層(陰極輝光區)，電子達到相當于氣體分子最大激發函數的能量，產生輝光；電子能量超過分子激發函數的最大值時，電離發生，激發減少，發光變弱，形成陰極暗區；在負輝區, 電子密度增大，電場急劇減弱，電子能量減小而使分子有效地激發，此時輝光的強度最大；此后，電子能量大幅度下降，電子與離子復合而發光變弱，即為法拉弟暗區；隨后電場逐漸增強，形成正柱區，該區電子密度和離子密度相等, 又稱為等離子區, 這一區間的電場強度極小, 各種粒子在等離子區主要作無序運行, 產生大量非彈性碰撞; 在陽極附近, 電子被陽極吸引、離子被排斥而形成暗區, 而陽極前的氣體被加速了的電子激發, 形成陽極輝光且覆蓋整個陽極。阿斯頓暗區、陰極層及陰極暗區具有很大的電位降, 總稱為陰極位降, 三區的寬度之和即為陰極位降區dk。陰極位降區是維持輝光放電不可或缺的區域。

▲圖3 直流輝光放電中的電位 u、電場 x、空間電荷密度 ρ 及電流密度 j

正常輝光放電時的陰極位降取決于陰極材料和工作氣體種類，而與電流、電壓無關，其值為一常數，等于最低點燃電壓。當氣體種類和陰極材料一定時，陰極位降區寬度 dk 與氣體壓力 p 有下列關系：

式中 A——常數

γ——二次電子發射系數

從上式可知， p×dk=常數。當極間距不變，減小壓力至 dk=d 時，則陰陽極間除陰陽極位降外，則其他部分都不存在，放電仍能進行，若 p 進一步減小，使 dk＞d，輝光立即熄滅，因此在一般的放電裝置中，真空度高于1.33Pa，便很難發生輝光放電；在其他條件不變的情況下，僅改變極間距 d，dk始終不變，其他各區相應縮小，一旦 d＜dk，輝光熄滅，這就是間隙保護的原理。一般間隙寬度0.8mm左右。

異常輝光放電時，陰極位降區域壓力 p 有關，還和電流密度有關，并有下式：

兩平行陰極k1，及k2，置于真空容器中，當滿足氣體點燃電壓時, 兩個陰極都會產生輝光放電現象，在陰極附近形成陰極暗區。當兩陰極間距離 dk1k2＞2dk 時, 兩個陰極位降區相互獨立，互不影響，并有兩個獨立的負輝區，正柱區公用；當 dk1k2＜2dk 或氣體壓力降低時，兩個負輝區合并，此時從 k1 發射出的電子在 k2 的陰極位降區加速，而它進入 k2 的陰極位降區時又被減速，因此, 如果這些電子沒有產生電離和激發, 則電子在 k1 和 k2 之間來回振蕩, 增加了電子與氣體分子的碰撞幾率, 可以引起更多的激發和電離過程。隨著電離密度增大, 負輝光強度增加, 這種現象稱為空心陰極效應。

如果陰極為空心管, 空心陰極效應更為明顯, 其光強度分布如圖4 所示。空心陰極效應的出現, 會在局部區域形成高溫, 且溫度越高, 電離密度越大, 在實際生產中應特別注意。

▲圖4 空心陰極放電極間光強分布

1.2 離子化學熱處理原理

開發最早且應用最廣的離子化學熱處理技術是離子滲氮，因此，以離子滲氮過程來說明離子化學熱處理的基本原理。目前，離子滲氮理論尚無定論，提出較早的是濺射與沉積理論，見圖5 。

▲圖5 離子滲氮過程中工件表面反應模型

真空爐內，在作為陰極的工件和作為陽極的爐壁間加直流高壓，使得稀薄氣體電離，形成等離子體，

等離子在陰極位降區被加速轟擊工件表面，產生一些列反應。首先，離子轟擊動能轉化為熱能加熱工件。其次，離子轟擊打出電子，產生二次電子發射。最重要的是由于陰極濺射作用，工件表面的碳、氨、氧、鐵等原子被轟擊出來, 而鐵原子與陰極附近的活性氮原子(或氮離子及電子)結合形成FeN。這些化合物因背散射效應又沉積在陰極表面, 在離子轟擊和熱激活作用下, 依次分解:Fe→FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N, 并同時產生活性氮原子[N], 該活性氮原子大部分滲入工件內, 一部分返回等離子區。

濺射與沉積模型是被較多人接受的理論。此外, 還有分子離子模型、中性氮原子模型以及碰撞離解產生活性氮原子模型等。

1. 3 離子化學熱處理設備及操作

離子化學熱處理設備由爐體(工作室)、真空系統、介質供給系統、溫度測量及控制系統和供電及控制系統等部分組成, 圖6 為離子滲氮裝置示意圖。

▲圖6 離子滲氮裝置示意圖

對待滲工件, 應按用途、材質、形狀及比表面積分類進行處理。對非滲部位及不通孔、溝槽等處, 應采取屏蔽措施; 對需滲的長管件內壁以及工件溫度偏低部位, 還應考慮增加輔助陽極或輔助陰極。工件裝爐完畢, 首先抽真空至 10 Pa 以下, 然后接通直流電源, 通入少量氣體起輝濺射, 用輕微打弧的方法除去工件表面的臟物, 待輝光穩定后增加氣體流量以提高爐壓, 增大電壓和電流。工件到溫后再調節電壓, 維持適當的電流密度。爐壓一般控制在 130~1060Pa。根據工藝要求保溫適當時間。保溫結束后關閉閥門，停止供氣和排氣, 切斷輝光電源, 工件在處理氣氛中隨爐冷卻至 200℃ 以下即可出爐。

在一般的離子化學熱處理爐中, 工件的形狀及大小、擺放位置、陰極-陽極的距離等, 都會影響工件各部位的溫度。工件入爐時, 必須綜合考慮各種因素, 力求爐溫均勻。對高溫離子化學熱處理(如離子滲碳等), 在真空爐體內須增設一套電阻加熱裝置，實行雙重加熱，能夠使爐內形成較均勻的溫度場，離子轟擊電源起到待滲介質離子化的作用。這種爐型不僅使工件溫度均勻, 測溫方便, 還可減少弧光放電。

離子化學熱處理過程中使用的異常輝光放電容易轉變為弧光放電, 使陰極位降降低, 電流劇增, 以至燒壞工件, 損壞電氣系統, 必須盡量避免輝光放電向弧光放電的過渡。一旦出現弧光,應盡快滅弧。滅弧系統的可靠性, 直接關系到離子化學熱處理設備能否正常運行。目前采用較多的滅弧方式有電感-電容振蕩滅弧、晶閘管旁路滅弧以及快速電子開關等幾大類型。

脈沖離子化學熱處理是20世紀90年代發展起來的一種新型離子化學熱處理技術, 其核心內容是引進了脈沖電源, 是該領域的一項重大技術進步。脈沖電源的應用, 大大提高了離子化學熱處理的電氣性能和工藝性能, 可有效解決弧光放電及空心陰極效應等問題, 對具有深孔和復雜形狀的內孔、凹腔等工件的滲氮處理可獲得均勻的滲層, 在節約能源方面也顯示了突出的特點, 已得到廣泛應用。

脈沖電源是一種對直流電流輸出的電壓與電流進行調制處理、間歇給負載供電的電源。加在負載上的電壓與電流具有周期性的近似矩形波脈沖。直流脈沖電源分為斬波型和逆變型兩類。斬波型控制電路比逆變型控制電路簡單, 但斬波型的脈沖頻率比逆變型低, 一般為數千赫, 而逆變型可達數十千赫。斬波型、逆變型直流脈沖電源中的功率器件, 一般選用快速晶閘管、可關斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR), 以及近來發展起來的絕緣柵極型晶體管(IGBT)。IGBT為復合功率器件, 它是電壓控制型器件, 具有驅動功率小, 輸入阻抗大, 控制電路簡單, 開關損耗小, 通斷速度快, 工作頻率高, 元件容量大等優點, 特別適合在斬波型、逆變型脈沖電源中作為功率開關器件。

離子氮化爐實物圖片

二、離子滲氮

2.1 離子滲氮工藝特點

離子滲氮具有許多其他處理方式所不具備的特點:

①處理溫度范圍寬, 可在較低溫度下 (如350℃)獲得滲氮層;

②滲氮速度快;

③化合物層結構易于控制;

④可大幅度節省能源和工作氣體;

⑤采用機械屏蔽隔斷輝光, 容易實現非滲氮部位的防滲;

⑥自動去除鈍化膜，不銹鋼、耐熱鍋等材料無需預先進行去鈍化膜處理;

⑦離子滲氮處理在很低的壓力下進行, 排出的廢氣很少, 氣源為氮氣、氫氣和氨氣, 基本上無有害物質產生。

2. 2 離子滲氮材料選擇及預處理

2.2.1 滲氮材料的選擇

滲氮的目的主要是為了提高工件表面的硬度、強度和抗腐蝕能力, 從材料強化的角度出發, 除滿足產品性能外, 還必須慮材料的工藝性能, 包括滲氮速度及處理溫度等。

對耐磨滲氮, 一般選擇合金鋼, 因為鐵氮化合物的硬度并不高, 故碳鋼的滲氮效果較差。合金鋼滲氮時, γ'-Fe4N 相和 ε-Fe2-3N 相中的部分鐵原子被合金原子置換, 形成合金氮化物或合金氮碳化合物。合金元素與氮的親合力按下列順序由弱到強:

Ni→Co→Fe→Mn→Cr→Mo→W→Nb→V→Ti→Zr

合金氮化物硬度高、熔點高, 但脆性大。在滲氮鋼中, 鋁和鉻是最重要的強化元素。圖7 為幾種合金元素對滲氮層硬度的影響。鋼中的合金元素對氮在鋼中的擴散系數產生影響，從而影響滲氮速度，氮化物形成元素鉬、鎢、釩、鈦等均降低氮在α相和γ相中的擴散系數，使滲速減慢。

▲圖7 合金元素含量對滲氮層硬度的影響

滲氮鋼中含有一定量的碳，是滿足鋼的力學性能所必須的，但隨著含碳量的增加，氮元素向基體擴散越加困難，滲氮層的影響和厚度隨之下降。見圖8 。

▲圖8 碳對滲氮層硬度和深度的影響

因此, 滲氮材料的選擇, 必須根據產品服役工況, 結合滲氮工藝綜合考慮。除常用的合金結構鋼、工模具鋼外, 不銹鋼、鑄鐵等材料進行離子滲氮也有很好的效果。表1 的滲氮結構鋼, 表2 是部分材料離子滲氮工藝和效果。

▼表1 常用滲氮結構鋼

▼表2 部分滲氮材料離子滲氮工藝與結果

采用離子法, 特別適用于不銹鋼、耐熱鋼等表面易生成鈍化膜的材料的滲氮處理。由于鈍化膜阻礙氮原子向基體擴散，常規滲氮處理，必須先設法去除鈍化膜，并需要馬上滲氮，以防止鈍化膜再生。離子滲氮時，離子對工件表面的轟擊即可去除鈍化膜，不需做鈍化膜去除處理。

2.2.2 離子滲氮前材料的預備熱處理

為保證滲氮件心部具有較高的綜合力學性能, 離子滲氮前，須對材料進行預備熱處理。結構鋼進行調質處理、工模具鋼進行淬火+回火處理, 正火處理一般只適用于對沖擊韌度要求不高的滲氮件。結構鋼調質后, 獲得均勻細小分布的回火索氏體組織, 工件表層在大于滲氮層深度的范圍內，切忌出現塊狀鐵素體, 否則將引起滲氮層脆性脫落。奧氏體不銹鋼, 滲氮前需固溶處理。38CrMoAl 鋼不允許用退火作為預備熱處理, 否則滲層組織內易出現針狀氮化物。對形狀復雜、尺寸穩定性及畸變量要求較高的零件, 在機械加工粗磨與精磨之間應進行1~2次去應力退火, 以去除機械加工的內應力。

2.3 離子滲氮的工藝參數

2.3.1 氣體成分及氣體總壓力

目前用于離子滲氮的介質有N2+H2、氨或氨分解氣。氨分解氣可視為N2：H2=1:3的混合氣。

直接將氨氣送入爐內進行離子滲氮, 使用方便, 但滲氮層脆性較大, 而且氨氣在爐內各處的分解率受進氣量、爐溫、起輝面積等因素的影響, 會影響爐溫均勻性。對大多數要求不太高的工件, 仍可采用直接通氨法。采用熱分解氨可較好地解決上述問題(氨氣通過一個加熱到800~900℃的含鎳不銹鋼容器即可實現熱分解), 此法簡單易行, 值得推廣。采用氨氣進行離子滲氮, 一般只能獲得ε+γ'相結構的化合物層。

采用N2+H2進行離子滲氮, 可實現可控滲氮。其中H2為調節氮勢稀釋劑, 氮氫混合比對滲氮層深度、表面硬度及相組分的影響分別見圖9、圖10 和表3 。氣體總壓力對離子滲氮層深度的影響見圖11 。

▲圖9 氮氫混合比對離子滲氮化合物層和擴散層深度的影響

▲圖10 氮氫混合比對離子滲氮層表面硬度的影響

▼表3 氣體成分、滲氮溫度、爐壓對化合物層相成分的影響

▲圖11 采用氨氣在650℃（a）和522℃（b）離子滲氮1h 爐壓滲層深度的影響

1-純鐵 2-40Cr 3-38CrMoAl

離子滲氮爐壓高時輝光集中，爐壓低時，輝光發散。實際操作中，爐壓可在133~1066Pa的范圍內調整，處理機械零件常用266~532Pa，高速鋼刀具采用133Pa 低氣壓。高氣壓下化合物中 ε 相含量增高，低氣壓下易獲得 γ' 相。在低于40Pa或高于2660Pa的條件下離子滲氮不易出現化合物層。

2.3.2 滲氮溫度

離子滲氮溫度對 38CrMoAl 滲層深度和硬度的影響見圖12 和圖13 。表面硬度在一定溫度范圍內存在最大值。隨著滲氮溫度提高, 滲氮中的氮化物粗化, 導致硬度下降。

2.3.3 滲氮時間

滲氮時間對 γ ' 和 ε 相層厚度影響具有不同的規律，見圖14。小于4h時 γ'相隨時間延長而增厚, 4h 后基本保持定值, 而 ε 相厚度隨滲氮時間延長單調增加。

一般認為, 擴散層深度與時間之間符合拋物線關系, 其變化規律與氣體滲氮相似。隨著滲氮時間延長, 擴散層加深, 硬度梯度趨于平緩; 但保溫時間增加, 引起氮化物組織粗化, 導致表面硬度下降。

2.3.4 放電功率

圖15 為工件表面的輝光放電功率密度與滲氮層深度的關系, 滲氮層深度隨功率密度提高而增加。

▲圖12 38CrMoAl離子滲氮溫度對滲層深度的影響

（保溫4h，爐壓665Pa）

▲圖13 38CrMoAl離子滲氮溫度對滲層硬度分布的影響

（保溫4h，爐壓665Pa，φ（N2）80%）

▲圖14 31Cr2MoV離子氮化時 ε 相和 γ' 相化合物層厚度隨滲氮時間的變化

▲圖15 工件表面功率密度與滲氮層深度的關系

2. 4 離子滲氮層的組織

較之于其他滲氮方法, 離子滲氮(包括離子氮碳共滲)的一個重要特點是化合物層的組織可調。采用不同的工藝參數, 表層可分別獲得 γ'、ε、 γ'+ε、ε+γ'+Fe3C、ε+Fe3C的化合物層結構, 還可獲得無化合物層的純擴散層組織。一般來講, 滲氮層中無化合物層或以 γ' 相為主的化合物層, 適用于疲勞磨損和交變負荷的工況; 對粘著磨損負荷, 則以較厚的 ε 相化合物層為佳; 當化合物層中出現 Fe3C 時, 將使化合物層的厚度和硬度下降, 脆性增加, 因此, 離子氮碳共滲時, 應特別注意碳的加入量。

2.4.1 化合物層的相組成

不同處理工藝和離子滲氮的爐氣成分對化合物層的相組成影響很大, 表4 為各種工藝條件下表層X射線衍射結果; 在離子滲氮時各種工藝條件下所獲得的化合物層相組成見表3 。

▼表4 滲氮后化合物層的X射線衍射結果

從表3 和表4 可以看出，采用離子滲氮處理，較易調節化合物層的相組成，且隨著爐氣氮含量的增加，ε 所占的比例提高，合金元素的存在，有助于 ε 相生成；提高爐氣中的碳含量，促進 ε 生長。另外，在較低溫度，較低爐壓以及較長保溫時間條件下有利于 γ' 生成，見圖16~圖18 。

▲圖16 42CrMo不同溫度離子氮碳共滲處理后的X射線衍射普

▲圖17 爐氣壓力對40Cr離子滲氮化合物層的影響

▲圖18 離子滲氮時間對40Cr鋼化合物層的影響

離子滲氮化合物層的形貌與其他滲氮方法所獲得的形貌基本一致。

2.4.2 擴散層的組織

對碳鋼來講，擴散層基本上由αN+γ'+Fe3C組成；對合金鋼，除上述組織外，還存在高硬度、高彌散分布的合金氮化物。合金鋼滲氮擴散層的硬度比碳鋼高得多，硬度高梯度平緩，對提高疲勞性能十分有利。

2.5 離子滲氮層的性能

2.5.1 表面硬度及硬度梯度

離子滲氮層的硬度及硬度梯度取決于材料種類和不同滲氮工藝，同時，材料的原始狀態對滲氮結果也有較大影響，見圖20 。原始組織硬度較高的正火態組織比硬度較低的調質態組織所獲得的滲氮層硬度更高；結構鋼在由于退火組織狀態下硬度較低，所以滲氮硬化效果較差。

▲圖20 38CrMoAl不同原始狀態離子滲氮后的硬度分布

1-正火態 2-調質態

滲氮溫度對離子滲氮層硬度的影響較大，見圖21 。過低或過高的溫度都會降低強化效果。不同的工藝方法對少滲氮層的表面硬度將產生較大影響，表5 列出了不同工藝條件下的滲氮結果。

▲圖21 38CrMoAl離子滲氮后溫度對表面影響的影響

1-正火態 2-調質態

▼表5 不同滲氮工藝處理后材料的滲氮深度及硬度

2.5.2 韌性

滲氮層的組織結構不同, 其韌性也有較大差異。根據扭轉試驗的應力-應變曲線出現屈服現象及產生第一條裂紋的扭轉角大小來衡量滲氮件韌性好壞, 其結果見圖22 。

▲圖22 32CrMoV不同滲氮化合物層結構對韌性的影響

a）無化合物 b）5~7μm單一γ'相

c）12~16μm單一ε相 d）8~11μmγ'+ε

由圖可見, 僅有擴散層的滲氮層韌性最好, 相化合物層次之, 而具有 γ'+ε 雙相層最差。化合物層的厚度對滲氮層的韌性產生影響, 隨著化合物層厚度增加, 韌性下降。另外, 碳鋼離子滲氮層的韌性優于合金鋼。

2.5.3 耐磨性

不同的材料、滲氮層組織狀態對耐磨性都會產生較大影響, 但是, 耐磨性的高低也直接受摩擦條件的制約。

(1)滑動摩擦。

圖23 為不同處理工藝在滑動摩擦試驗中的摩擦距離和磨損量的關系 (摩擦速度恒定為0. 94㎡/s, 在100~600m范圍內改變摩擦距離), 從圖可知, 離子滲氮層的耐磨性優于氣體滲氮, 爐氣中氮含量較高時(即化合物層中 ε 的相對量更高)耐磨性最

好。

圖24 為各種滲氮工藝處理的試樣在濕態摩擦條件下的摩擦速度和磨損量的關系。由于試驗中潤滑條件較好, 試樣的溫升小, 磨損量相對較小, 除未處理的試樣外, 不同滲氮工藝對耐磨性的影響不大。

▲圖23 各種滲氮處理后摩距離和磨損量的關系

1-未處理 2-氣體滲氮

3-φ（N2）25%離子滲氮

4-φ（N2）80%離子滲氮

▲圖24 不同處理條件下濕態摩擦速度和磨損量的關系

1-未處理 2-φ（N2）25%離子滲氮 3-氣體滲氮

（2）滾動摩擦

圖25 為MAC24鋼在不同條件下滾動摩擦的試驗結果，從圖中可以看出，滲氮層中化合物越薄，抗滾動摩擦性能越好，這是因為化合物層中易出現早期破壞所致。

▲圖25 MAC24鋼滲氮試樣滾動摩擦試驗結果

2.5.4 抗咬合性能

圖26 為35CD4鋼離子滲氮等方法處理后表面化合物層結構與抗咬合性能的關系。從圖中可看出，存在硫化物的化合物層的抗咬合性能最佳，且發生咬合所需載荷隨 ε 相的相對量增加而加大。

▲圖26 35CD4鋼抗咬合性能模擬試驗結果

圖中除 ε2、ε3外，其余均為不同氣氛下的滲氮處理

2.5.5 疲勞性能

離子滲氮處理可提高材料的疲勞抗力。表6 給出了幾種材料光滑試樣的疲勞極限值。

▼表6 離子滲氮對光滑試樣疲勞極限值的影響

不同的處理條件對滲氮層的組織產生影響，從而影響材料的疲勞強度。隨著滲氮層深度的增加，疲勞極限相應提高；滲氮后快速冷卻，氮過飽和地固溶于α-Fe中，比緩冷后從α-Fe 中析出平板狀的 γ' 相和微粒狀 α "（Fe16N2）相的滲氮層具有更高的疲勞極限。從處理方法來看，離子滲氮與其他滲氮方法差別不大，如圖27 所示。

▲圖27 不同處理條件對15鋼滲氮層疲勞強度的影響

2.5.6 耐腐蝕性能

離子滲氮層具有良好的抗腐蝕性能，一般以獲得致密的 ε 相化合物層為佳，但 ε 相在酸中易分解，故滲氮層不耐酸性介質腐蝕。表7 為離子滲氮試樣鹽霧試驗數據，可見，離子滲氮層的耐腐蝕性很好，甚至超過了鍍鉻處理。

▼表7 各種處理試樣的鹽霧試驗結果

不銹鋼離子滲氮的目的是為了提高其表面的硬度和耐磨性，不銹鋼滲氮后，會使其耐蝕性下降，如表8 所示。對需進行離子滲氮處理的不銹鋼工件，獲得無化合物層的滲氮層對耐蝕性較為有利；氣氛中含氮量提高、氮原子滲入量增加，都會加快腐蝕速度。

▼表8 1Cr18Ni9 離子滲氮后的耐腐蝕性

2.6 鈦及鈦合金離子滲氮

鈦及其合金具有很高的比強度、耐熱性、抗腐蝕能力和低溫性能, 廣泛用于航空、航天、化工、造船及精密機件、人工關節等領域和產品, 但鈦及其合金普遍存在硬度低, 耐磨性差, 不耐還原性介質腐蝕等缺點, 限制了它們的應用。采用離子滲氮處理, 可提高鈦及其合金的硬度、耐磨性和耐蝕性。

鈦材一般采用不含氫的氣氛進行離子滲氮 (如氮氣、氬氣等), 以防氫脆。若用氮氫混合氣或氨氣滲氮, 滲氮后冷至600℃即應停止供氫（或氨）。在純氮條件下, 最佳工作氣體壓力為1197~1596Pa, 溫度為800~950℃, 低于500℃無滲氮效果。

鈦材滲氮后, 表面呈金黃色, 且色澤隨滲氮溫度提高而加深。在800~850℃范圍內滲氮,表面組織由α+δ(TiN)+(Ti2N)組成。滲氮溫度對滲層深度和表面硬度的影響見圖28 。

▲圖28 離子滲氮溫度對鈦材滲層深度的影響

注：1torr=133.3Pa

圖29 ，表9 為部分離子滲氮工藝及表面硬度、耐蝕性。

▲圖29 離子滲氮溫度對Motor2鈦合金表面硬度的影響

▼表9 鈦材離子滲氮工藝及表面硬度就、耐蝕性能

除了鈦及鈦合金可采用離子滲氮方法進行表面強化之外，對其它部分金屬也有一些嘗試。如鋁、鉬、鉭、鈮等。隨著材料技術的研究深入，離子滲氮技術將會在更多材料中得到應用。

三、離子氮碳共滲

離子氮碳共滲的目的主要是為了獲得較厚 ε 化合物層，提高表面耐磨性。離子氮碳共滲工藝是在離子滲氮的基礎上加入含碳介質（如乙醇、丙酮、CO2、甲烷、丙烷等）而進行的。供碳劑的供給量和溫度會對化合物層的相組成產生影響。一般來講加入微量滲碳劑，有利于化合物層生成，氣氛含量進一步增大，促使Fe3C生成，化合物層減薄（見表10）；溫度升高化合物層中 ε 相的體積分數降低，見表11 。

▼表10 45鋼化合物層相組成相對量與氮碳共滲介質成分的關系

▼表11 42CrMo鋼離子氮碳共滲溫度對化合物層相組成相對量的影響

共滲溫度對離子氮碳共滲層深度及硬度的影響見表12 。

▼表12 溫度對20鋼、45鋼、40Cr鋼離子氮碳共滲層深度和硬度的影響（時間1.5h）

離子氮碳共滲氣氛中含碳氣氛比例應嚴格控制。通常情況下，φ（C3H8）＜1%，φ（CH4）＜3%，φ（CO2）＜5%，φ（C2H5OH）＜10%（一些含碳介質是依靠負壓吸入的因而實際遠遠低于流量計的指示值）。表13 列出了部分材料在服役條件下適用離子氮碳共滲深度及表面硬度。

▼表13 部分材料常用離子氮碳共滲深度及硬度

近些年，在國際上興起離子氮碳共滲+離子后氧化復合處理技術（稱之為PLASOX或INOITOX）。在離子氮碳共滲的基礎上在進行一次離子氧化處理，可在 ε 化合物層表面生成數微米厚黑色致密的Fe3O4膜，進一步提高鋼材表面的耐磨性和耐蝕性，如45鋼經離子氮碳共滲+離子后氧化復合處理后，其耐蝕性可與不銹鋼媲美。但進行離子氮碳共滲+離子后氧化復合處理時，需對一般的離子滲氮爐進行改造，要加裝保溫裝置。

四、離子滲碳及碳氮共滲

4.1離子滲碳設備

離子滲碳處理溫度較高，單純采用直流輝光放電加熱工件所需電流較大，處理過程中極易轉變為弧光放電而無法正常工作。而是較多采用輔助加熱的爐型，如圖30 所示。

▲圖30 離子滲碳爐結構示意圖

這種設備具有直流輝光放電和電阻輔助加熱兩套電源，工件升溫和保溫的熱能主要由電阻加熱提供，而直流電源提供離子滲碳過程中形成等離子體的能量。可分別調整的兩套電源使工藝參數可在很大的范圍內調節。設備的前部為淬火室，后部為滲碳室，滲碳完畢的工件可直接在真空條件下進行淬火，保證了工件表面的質量。

離子滲碳原理、基本工藝和設備操作過程與離子滲氮相似，包括工件的清洗、狹縫及非滲碳部位的屏蔽保護等。除了設備檢修之外，滲碳室一般處于真空狀態, 因此, 經表面清洗并干燥后的工件放上淬火室的送料小車, 淬火室需先抽真空至1000Pa以下, 才能開啟中間密封門, 將工件送人淬火室。工件在真空狀態下通過電阻加熱至400℃之上, 便可通入少量氣體、打開輝光電源進行濺射, 由于前期的電阻加熱, 已將油漬等處理前未清洗干凈的污物蒸發并排出爐外, 因而輝光濺射的過程很快, 待工件升至滲碳溫度, 即可送入工作氣體, 進行滲碳處理。滲碳完成后,工件移至淬火室進行直接淬火或降溫淬火, 工件入油前, 淬火室需填充純氮至40~73kPa, 否則工件難以淬硬; 對具有高壓氣淬裝置的設備, 則可直接啟動氣淬系統進行淬火。離子滲碳淬火后的工件, 需進行180~200℃的低溫回火。

4. 2 離子滲碳工藝

4.2.1 離子滲碳溫度與時間

由于輝光放電及離子轟擊作用, 離子態的碳活性更高, 工件表層形成大量的微觀缺陷, 提高了滲碳速度, 但總的來講, 離子滲碳過程主要還是受碳的擴散控制, 滲碳時間與滲碳層深度之間符合拋物線規律, 較之于滲碳時間、溫度對滲速的影響更大。在真空條件下加熱，工件的變形量較小, 因此, 離子滲碳可在較高的溫度下進行, 以縮短滲碳周期。幾種材料的離子滲碳處理結果見表14 。

▼表14 離子滲碳處理的滲層深度（mm）

4.2.2 強滲與擴散時間之比

離子滲碳時, 工件表層極易建立起較高的碳濃度, 一般須采用強滲與擴散交替的方式進行。強滲與擴散時間之比對滲層組織和深度有較大影響，見圖31 。

▲圖31 離子滲碳過程中滲碳時間與擴散時間之比

對滲層深度及組織的影響（1000℃。2h）

滲擴比過高, 表層易形成塊狀碳化物, 并阻礙碳進一步向內擴散, 使總滲層深度下降; 滲擴比太小, 表面供碳不足, 也會影響層深及表層組織。采用適當的滲擴比(如2:1或1:1), 可獲得理想的滲層組織(表層碳化物彌散分布)并能保證滲層深度。深層滲碳件, 擴散所占比例應適當增加。

4.2.3 輝光電流密度

工業生產時采用的輝光電流密度較大, 足以提供離解含碳氣氛所需能量, 迅速建立向基體擴散的碳濃度。離子滲碳層深度主要受擴散速度控制。如果排除電流密度增加使工件與爐膛溫差加大這一因素, 輝光電流密度對離子滲碳層深度不會產生太大的影響, 但會影響表面碳濃度達到飽和的時間。

4.2.4 稀釋氣體

離子滲碳的供碳劑主要采用甲烷和丙烷，以氫氣或氮氣稀釋, 滲碳劑與稀釋氣體之比約為1:10, 工作爐壓控制在 133~532Pa。氫氣具有較強的還原性, 能迅速潔凈工件表面, 促進滲碳過程, 對清除表面炭黑也較為有利, 但使用時應注意安全。

4.2.5 離子滲碳的應用

離子滲碳的部分應用實例見表15 。

▼表15 離子滲碳技術應用實例

4. 3 離子碳氮共滲

離子滲碳氣氛中加入一定量的氨氣, 或直接用氮氣作稀釋劑, 可進行離子碳氮共滲。離子碳氮共滲可在比氣體法更寬的溫度區間進行, 溫度升高, 鋼中滲入的氮減少, 用普通方法進行碳氮共滲, 溫度一般不超過900℃, 而采用離子法, 可實現900℃以上的碳氮共滲。與離子滲碳相似, 離子碳氮共滲也應采用強滲+擴散的方式進行, 不同的滲擴比對滲層組織和深度將會產生較大的影響。20CrMnTi及20Cr2Ni4鋼在不同滲擴比的條件下進行離子碳氮共滲, 其滲層深度及組織分布，見表16 (共滲溫度850℃, 共滲時間(強滲+擴散)6h; 氫氣作為放電介質, 強滲階段φ(C3H8)=5%, 擴散階段(C3H8)=0. 5%; 共滲后直接淬火, 然后在250℃溫度下進行2h 真空回火)。

▼表16 不同滲擴比的離子碳氮共滲層深度及組織分布（mm）