我国离子渗氮技术的发展，借鉴了德国离子渗氮技术开发和生产应用的经验，自主研发和生产实践形成了我国大规模离子渗氮工业应用的局面。一般认为我国离子渗氮的发展，从1966年湖南湘江机器厂研制成功的小型离子渗氮装置开始，在20世纪70年代初开始工业应用，到80年代中期我国离子渗氮设备和工业应用规模已在世界上占据首位。

回顾五十多年来离子渗氮发展史，应该好好总结一下。我们是在不断扩大离子渗氮自身优势，包括离子激活表面活化、渗氮速度快、化合物层相可控、低温渗氮、局部防渗方便、不锈钢渗氮、设备容易适应不同尺寸和不同批量工件、节能环保等；不断克服自身的不足，包括温度均匀性（尤其是复杂形状工件）、测温准确性、空心阴极效应等；不断在改进技术中发展和形成工业规模，从冷壁炉改进成热壁炉。设备从自制到专业厂生产，从手动控制到计算机控制，工艺从单一离子渗氮扩展到氮碳共渗、多元共渗、渗金属和渗涂复合处理。

20世纪90年代初，我国离子渗氮行业出现低谷，旧式冷壁离子渗氮炉数量快速发展和设备更新改造跟不上工艺发展的需要，但是却催生了脉冲直流电源离子渗氮炉的诞生。21世纪风电产业的发展，又促进300~500A离子渗氮炉的大批投入生产，大大促进了离子渗氮的工业化。青岛丰东公司开发的高品质离子渗氮炉和活性屏离子渗氮炉，对我国离子渗氮产业向高端发展有着重要意义。

我国伴随着离子渗氮技术的发展形成了离子渗氮产业，总的评价我国现在离子渗氮产业的工业化水平，已能满足工业产品的一般要求，但是离子渗氮高端质量产品的批量生产，从技术和装备上都还不适应产业化规模要求。因此，现在处于离子渗氮产业平稳发展的关键时期，必须充分发挥离子渗氮自身独有的优势，弱化短处，在渗氮表面强化技术和工艺上形成一整套独特的方案，开发出特种离子渗氮设备。工业应用应从“遍地开花”到重点突破，尤其向高端产品方向突破。

                                       

二、离子渗氮技术

1.离子渗氮技术特点

离子渗氮技术的独有特点是离子轰击、溅射清理和离子激活（Plasmaactivation）。离子激活是形成**渗氮层的根本**，激活扩散贯穿在离子渗氮过程始终。离子激活使NH₃、N₂、H₂原子分解产生活性离子，同时离子激活阴极工件表面产生大量微观缺陷和活化表面，在活化表面上反应形成氮化物层，因此控制和调整离子激活条件是极其重要的。深入研究辉光放电的轰击加热、溅射反应和激活效应，对开发和完善离子渗氮工艺很有意义。

我们在1982年研究了离子渗氮化合物层的形成过程，发现离子渗氮与气体渗氮由于形成化合物层的机理不同，产生的化合物层相结构也不同。如图1、图2所示，38CrMoAl钢离子渗氮化合物层由γ′+ε+α相组成，以γ′相为主，表面会有约25%α相，而气体渗氮化合物层由ε+γ′相组成，表面不含有α相。图3表明，如果预先经过氩气4h离子溅射激活处理，再经550℃×6h离子渗氮处理后，表面γ′相从55%降低到45%，表面α相从25%增加到42%，ε相从20%降低到13%，可见离子溅射激活处理的试样，渗氮时表面化合物层中α相数量增加，ε相减少，形成以γ′相为主和夹杂着α相的化合物层，有利于次表层氮的扩散，加速了扩散层的形成。

离子激活技术（Plasmaactivated technology）的应用：

（1）离子渗氮的后氧化

离子渗氮化合物层上形成致密的Fe3O4和Fe3（NO）4氧化层，可以同时提高渗层的耐腐蚀性和耐磨性。采用离子激活技术可以在离子渗氮化合物层表面产生大量微观缺陷和表面活化，在激活扩散过程中表面化合物发生转变ε- Fe_2-3（NC）→Fe3（NO）4，Fe3（NO）₄长大，形成致密的Fe3O4渗氮层。

（2）气体氮碳共渗表面的离子激活

德国Metaplas Ionon在1993年收购了KlocknerIonon后，利用科鲁克诺尔离子公司在离子渗氮技术方面的优势，把离子激活应用在气体氮碳共渗上，使气体氮碳共渗后的表面，经过离子激活后产生大量微观缺陷和活化，接着进行氧化，结果产生一个结合力很强的致密氧化层，这一工艺在欧洲已经大量应用。汽车球头销氮碳共渗后氧化的大批量生产是.成功的一例。SulzerMetco公司于2001年收购了MetaplasIonon，并把这一业务扩展到中国，于2008年在上海批量生产。

（3）韧性化合物层

大多数零件的渗氮，都要求形成一定厚度的化合物层，但由于渗氮化合物层脆性较大，往往限制了渗氮的应用。利用离子激活技术，可以形成γ′或γ′+α组成的高韧性渗氮化合物层，大大推进了离子渗氮在高端技术要求方面的应用。

（4）不锈钢和高合金钢

这类钢表面有较致密的氧化膜，它阻碍渗氮时氮原子的扩散渗入，并且难以形成均匀的**渗氮层。离子激活技术可确保利用离子轰击的溅射清理作用，清除表面的钝化膜，并通过离子激活使氮原子顺利进入表面内层，形成均匀的渗氮层。

2.离子渗氮质量

离子渗氮技术发展，针对离子渗氮质量应更新观念，孤立地控制渗氮层的硬度与层深，限制了离子渗氮技术的全面发展。

为此，我们提出了离子渗氮质量的三层理念。

（1）化合物层

在渗氮过程中利用化合物层的形成可加速扩散层的形成。渗氮后形成渗氮层表面的化合物层是脆性相，合理地控制化合物厚度和相结构，可以有效地提高渗氮表面耐磨性和耐蚀性，并可有效地减少化合物层脆性，适应不同零件的各种表面性能要求，提高渗氮件的强韧性和抗疲劳性。

（2）扩散层

选择合适材料和工艺可以得到无脉状组织的**强韧化扩散层，渗氮层强化主要作用是扩散层，高度强化的扩散层表现为良好的硬度梯度和.佳的表面应力状态。扩散层深度是强化的另一重要指标，重载负荷下的渗氮扩散层应加厚，但是增加扩散层深度，会增大渗氮工件变形量。

（3）基体

渗氮基体组织及其均匀性是影响渗氮氮原子扩散和形成弥散强化相与良好扩散层的关键之一，常用调质钢基体合金元素的均匀分布，金相组织无偏析是形成**扩散层的重要条件。基体强化不脆化是提高渗氮件承载能力基础，基体的组织和应力状态影响渗氮件整体性能。

因此，综合控制化合物层、扩散层和基体，充分发挥每一层的有利作用，以实现有效控制渗氮质量，获得**强韧化渗氮件。

对渗氮结构零件的服役条件分类，至少有以下6种：

①只要求零件表面耐磨。

②要求零件表面耐磨兼抗疲劳性。

③要求零件表面耐磨兼耐蚀性。

④要求零件在重载下耐磨和较长使用寿命。

⑤要求零件在轻载交变接触应力下长寿命工作。

⑥要求零件在重载交变接触应力下长寿命工作。

根据上述服役条件，可以对渗氮零件提出性能要求并进行主次排序：

①耐磨性。

②抗疲劳性。

③耐蚀性。

④韧性。

⑤强度。

针对零件不同的服役条件，渗氮零件必须综合考虑渗氮化合物层、扩散层和基体强韧性的合理配置，充分发挥离子渗氮离子激活的优势，把三层理念充分运用到制定渗氮工艺中，提出了浅层渗氮、深层渗氮和深层渗氮硬化工艺，还有无化合物层、无脉状组织和韧性化合物层等特种离子渗氮工艺。

离子渗氮工艺应以性能优先，优先**零件服役条件对性能要求排序中主要性能的要求，所采用的工艺应以低温优先，可实现离子渗氮的优势，获得**渗氮层和强化的基体。以42CrMo钢为例，基体290~320HV，为达到渗氮层深0.40mm以上，可选450℃×50h，或480℃×30h或500℃×20h；为达到渗氮层深0.20mm以上，可选450℃×30h，或480℃×20h，或500℃×10h。

离子渗氮将以微变形、高性能、广应用和环保好的优势不断向前发展。