● 离子渗氮法

 离子渗氮法是由德国人B.Berghaus于1932年发明的。目前，我国在离子渗氮的某些理论和技术方面已处于世界先进水平。该法在0.1-10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离子化了的气体成份被电场加速，撞击被处理工件表面使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等进行渗氮处理。

综上所述，离子渗氮是在真空炉体内，通过稀薄气体放电，形成由离子、电子和中性粒子所构成的局部电离状态（即等离子体）中进行处理的。

离子渗氮开始应用于生产实际，至今已经有四十余年，等离子渗氮已经成为离子热处理技术中比较成熟、正在普及、富有生命力的工艺之一。

● 离子渗氮特点

与气体渗氮相比，离子渗氮具有许多优点，主要表现在 ：

一、由于离子渗氮不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行渗氮处理，所以无需防止公害的环保设备。因此，离子渗氮法也被称为二十一世纪的“绿色渗氮法” 。

二、离子渗氮是在真空中进行，因而可获得无氧化的加工表面，也不会损坏被处理工件的表面光洁度。而且由于是在低温下进行处理（380℃起即可进行氮化处理），被处理工件的变形量小，尺寸稳定性好，可以满足模具及高精度的零部件要求，处理后无需再进行加工，适合于成品的处理。

三、气体渗氮时间长，表面粗糙，硬而脆不耐磨。气体渗氮的工件，表面通常会出现较厚（20um以上）的化合物层，这是由ε+γ′两相组成的不均匀混合物层，里层则为扩散层。因此，在化合物层内产生三向显微应力，若在此应力方向上再略加外力，就会产生微小裂纹，此裂纹逐渐扩展而使整个化合物层剥落。含铬、铝渗氮钢的化合物层很脆，气体渗氮后一般均要把它磨去后才能使用。而离子渗氮可以通过控制气氛中氮气和氢气的比例，可以获得5-30um厚的脆性较小的ε相单相层或0-8um厚的韧性γ′相单相层，也可以得到韧性更优的无化合物层而仅有扩散层的渗氮层，这样可以不需要磨削直接装机使用。

四、由于不锈钢表面钝化膜的阻碍，传统的气体渗氮前需要做去钝处理，因工艺十分繁杂，且不易控制，效果也难保证。离子渗氮的溅射作用可有效地除去这层钝化膜，而无需做去钝处理，因此离子渗氮工艺为不锈钢的表面强化提供了一条新的途径。

五、经离子渗氮的工件渗氮层致密性好，硬度高，耐磨性、抗咬合性及抗蚀性等方面均优于气体渗氮。

● 等离子体的概念

    等离子体是指一种电离气体，是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体，整体显中性，它是一种由带电粒子组成的电离状态，称为物质的第四态。

● 等离子体的获得

要获得等离子体需要使中性粒子电离，而使中性粒子电离的方法有很多种，以下列出其中的三种方法：

( 1 ) 低气压气体放电获得等离子体。离子渗氮炉就是利用这种方法。

( 2 ) 利用高能粒子的方法。如核聚变所用的方法。

( 3 ) 利用电磁波能量的方法。如X射线、γ射线使气体电离。

● 等离子体的性质

( 1 ) 等离子体在宏观上是电中性的。

( 2 ) 虽然是电中性的，但由于体系中包含有大量的带电粒子（电子和离子），而且浓度很高，所以具有很好的导电性。

( 3 ) 等离子化学反应容易进行。

● 影响离子渗氮效果的主要因素

一种零件能否采用离子渗氮来进行表面强化，应根据该零件在实际使用条件下服役状况而定，否则可能适得其反。

从理论上讲，几乎所有的钢铁材料均可以实施离子渗氮处理，但不同的材料渗氮后实际使用效果却有着很大的差异。即使是同种材料，其预先热处理状态不同，渗氮后的实际使用效果也会不同。这说明，材料的渗氮效果一方面与材料的选择有关，另一方面还与该材料的前期机械加工和预先热处理有关。

● 渗氮前为什么要进行预先热处理

      为了保证渗氮件心部具有必要的力学性能（也称机械性能），消除加工过程中的内应力，减少渗氮变形，为获得良好的渗层组织性能提供必要的原始组织，并为机加工提供条件，零件渗氮前一般均应进行不同的预先热处理。

● 气体成份对渗层组织的影响

目前，常用于离子渗氮的介质有NH₃、热分解氨、N₂﹢H₂等三种，在此基础上，再加入少量的乙醇或丙酮、CO₂、丙烷等作为碳的来源，即可实现离子软氮化工艺。

氨气通常由液氨汽化而成，因其价格低廉、来源广泛、使用方便，已成为使用比较广泛的离子渗氮介质。但直接使用氨气也有不少缺点。其中主要的缺点是氮势不能控制，这是由于氨在炉内的分解率随进气量、温度和起辉面积而改变。因此直接用氨气进行离子渗氮无法控制渗层组织。一般只能得到ε+γ′相的混合化合物（存在一定的脆性）。此外，因炉内各处气体分解情况不同，会造成工件表面电流密度不均而使零件温度不均匀。尽管如此，对多数性能要求不太高的工件来说，NH₃仍是使用比较多的离子渗氮气源。

N₂﹢H₂的混合气体在生产实践中广泛应用。离子渗氮时，H₂作为稀释气体加入，可以大大降低渗氮反应的活化能，氢气还起还原零件表面氧化物的作用，以获得“活性”’的表面，降低了对设备漏气率的要求。与氨气相比，可更方便的调节渗氮气氛的氮势，较容易控制渗氮层的组织。

炉内气氛对渗氮层组织结构有直接影响，研究表明：

( 1 ) 提高混合气体中的氮浓度，易促成ε相的形成，而使γ′相减少。降低氮浓度，易形成γ′相。但浓度太低时，渗氮层会减薄，渗速降低。

( 2 ) 化合物层中ε相体积百分数均随着含氮气氛比例的增加而增加，当增加到某一临界值时，化合物层中开始出现FeC₃,此时ε量达到max值，若继续加大含碳气氛比例，则ε相的量逐步减少，直到ε%=0，化合物层全变为Fe₃C。

( 3 ) 化合物层中的γ′含量始终随含碳气氛比例的增加而减少。Fe₃C总是随碳气氛比例增加而增加

( 4 ) 含碳气氛的临界量与被处理材料的含碳量有关。随钢中含碳量增加，其临界量降低，反映了钢中的碳参与了化合物层的形成。

( 5 ) 用CO₂+NH₃离子软氮化时，有Fe₃O₄ 相生成。随着CO₂比例的增加，ε%减少，Fe₃O₄%增加，而γ′%变化不大。

( 6 ) 若想获得单一ε相，只有对某些钢采用离子软氮化的方法才能获得。

● 渗氮前常用的预先热处理工艺

常用的预先热处理工艺有调质、淬火+回火、正火及退火。

 ( 1 ) 调质是结构钢常用的预先热处理工艺，调质的回火温度至少要比渗氮温度高30-60℃。回火温度应根据基体性能和渗层性能的要求综合确定。

调质引起的脱碳对渗层脆性和硬度影响很大，所以调质前的工件应留有足够的加工余量，以保证机械加工时能将脱碳层全部切除。

对渗氮后变形要求很严的工件，在精加工前（如精磨）还应进行一次或多次稳定化处理，稳定化处理温度应低于调质温度而高于渗氮温度。

( 2 ) 工、模具钢渗氮前预先热处理工艺一般采用淬火+回火。

( 3 ) 马氏体不锈钢渗氮前的预先热处理工艺一般采用淬火+回火，目的是为了消除加工应力和改善组织，对硬度要求不高的渗氮件可采用退火处理。奥氏体不锈钢通常采用固溶处理。

( 4 ) 正火预先热处理只适用对心部强度和韧性要求不高的渗氮件。

( 5 ) 球铁的预先热处理多采用正火处理。

( 6 ) 退火处理在钛合金中运用较多，结构钢很少采用退火处理。38CrMoAl钢不允许采用退火处理，否则渗层组织中易出现针状氮化物。

( 7 ) 对于经过变形处理（如冲压、锻模、机加工等）的零件，应进行去应力退火处理，以减少渗层变形。

       特别强调的是，细小的原始组织比粗大的原始组织渗氮后有更高的表面硬度及良好的硬度梯度，因此，正火时冷却速度不宜过慢，调质时回火温度不应过高，保温时间不应太长。截面尺寸大的零件不宜用正火态，而应调质处理。总之，渗氮前采用何种预先热处理工艺，应根据工件的使用性能综合确定。

● 钢材硬度换算表