我國離子滲氮技術(shù)的發(fā)展，借鑒了德國離子滲氮技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐形成了我國大規(guī)模離子滲氮工業(yè)應(yīng)用的局面。一般認(rèn)為我國離子滲氮的發(fā)展，從1966年湖南湘江機(jī)器廠研制成功的小型離子滲氮裝置開始，在20世紀(jì)70年代初開始工業(yè)應(yīng)用，到80年代中期我國離子滲氮設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用規(guī)模已在世界上占據(jù)首位。

回顧五十多年來離子滲氮發(fā)展史，應(yīng)該好好總結(jié)一下。我們是在不斷擴(kuò)大離子滲氮自身優(yōu)勢，包括離子激活表面活化、滲氮速度快、化合物層相可控、低溫滲氮、局部防滲方便、不銹鋼滲氮、設(shè)備容易適應(yīng)不同尺寸和不同批量工件、節(jié)能環(huán)保等；不斷克服自身的不足，包括溫度均勻性（尤其是復(fù)雜形狀工件）、測溫準(zhǔn)確性、空心陰極效應(yīng)等；不斷在改進(jìn)技術(shù)中發(fā)展和形成工業(yè)規(guī)模，從冷壁爐改進(jìn)成熱壁爐。設(shè)備從自制到專業(yè)廠生產(chǎn)，從手動(dòng)控制到計(jì)算機(jī)控制，工藝從單一離子滲氮擴(kuò)展到氮碳共滲、多元共滲、滲金屬和滲涂復(fù)合處理。

20世紀(jì)90年代初，我國離子滲氮行業(yè)出現(xiàn)低谷，舊式冷壁離子滲氮爐數(shù)量快速發(fā)展和設(shè)備更新改造跟不上工藝發(fā)展的需要，但是卻催生了脈沖直流電源離子滲氮爐的誕生。21世紀(jì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，又促進(jìn)300~500A離子滲氮爐的大批投入生產(chǎn)，大大促進(jìn)了離子滲氮的工業(yè)化。青島豐東公司開發(fā)的高品質(zhì)離子滲氮爐和活性屏離子滲氮爐，對我國離子滲氮產(chǎn)業(yè)向高端發(fā)展有著重要意義。

我國伴隨著離子滲氮技術(shù)的發(fā)展形成了離子滲氮產(chǎn)業(yè)，總的評價(jià)我國現(xiàn)在離子滲氮產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化水平，已能滿足工業(yè)產(chǎn)品的一般要求，但是離子滲氮高端質(zhì)量產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，從技術(shù)和裝備上都還不適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模要求。因此，現(xiàn)在處于離子滲氮產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，必須充分發(fā)揮離子滲氮自身獨(dú)有的優(yōu)勢，弱化短處，在滲氮表面強(qiáng)化技術(shù)和工藝上形成一整套獨(dú)特的方案，開發(fā)出特種離子滲氮設(shè)備。工業(yè)應(yīng)用應(yīng)從“遍地開花”到重點(diǎn)突破，尤其向高端產(chǎn)品方向突破。

                                       

二、離子滲氮技術(shù)

1.離子滲氮技術(shù)特點(diǎn)

離子滲氮技術(shù)的獨(dú)有特點(diǎn)是離子轟擊、濺射清理和離子激活（Plasmaactivation）。離子激活是形成**滲氮層的根本**，激活擴(kuò)散貫穿在離子滲氮過程始終。離子激活使NH₃、N₂、H₂原子分解產(chǎn)生活性離子，同時(shí)離子激活陰極工件表面產(chǎn)生大量微觀缺陷和活化表面，在活化表面上反應(yīng)形成氮化物層，因此控制和調(diào)整離子激活條件是極其重要的。深入研究輝光放電的轟擊加熱、濺射反應(yīng)和激活效應(yīng)，對開發(fā)和完善離子滲氮工藝很有意義。

我們在1982年研究了離子滲氮化合物層的形成過程，發(fā)現(xiàn)離子滲氮與氣體滲氮由于形成化合物層的機(jī)理不同，產(chǎn)生的化合物層相結(jié)構(gòu)也不同。如圖1、圖2所示，38CrMoAl鋼離子滲氮化合物層由γ′+ε+α相組成，以γ′相為主，表面會(huì)有約25%α相，而氣體滲氮化合物層由ε+γ′相組成，表面不含有α相。圖3表明，如果預(yù)先經(jīng)過氬氣4h離子濺射激活處理，再經(jīng)550℃×6h離子滲氮處理后，表面γ′相從55%降低到45%，表面α相從25%增加到42%，ε相從20%降低到13%，可見離子濺射激活處理的試樣，滲氮時(shí)表面化合物層中α相數(shù)量增加，ε相減少，形成以γ′相為主和夾雜著α相的化合物層，有利于次表層氮的擴(kuò)散，加速了擴(kuò)散層的形成。

離子激活技術(shù)（Plasmaactivated technology）的應(yīng)用：

（1）離子滲氮的后氧化

離子滲氮化合物層上形成致密的Fe3O4和Fe3（NO）4氧化層，可以同時(shí)提高滲層的耐腐蝕性和耐磨性。采用離子激活技術(shù)可以在離子滲氮化合物層表面產(chǎn)生大量微觀缺陷和表面活化，在激活擴(kuò)散過程中表面化合物發(fā)生轉(zhuǎn)變?chǔ)? Fe_2-3（NC）→Fe3（NO）4，Fe3（NO）₄長大，形成致密的Fe3O4滲氮層。

（2）氣體氮碳共滲表面的離子激活

德國Metaplas Ionon在1993年收購了KlocknerIonon后，利用科魯克諾爾離子公司在離子滲氮技術(shù)方面的優(yōu)勢，把離子激活應(yīng)用在氣體氮碳共滲上，使氣體氮碳共滲后的表面，經(jīng)過離子激活后產(chǎn)生大量微觀缺陷和活化，接著進(jìn)行氧化，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)結(jié)合力很強(qiáng)的致密氧化層，這一工藝在歐洲已經(jīng)大量應(yīng)用。汽車球頭銷氮碳共滲后氧化的大批量生產(chǎn)是.成功的一例。SulzerMetco公司于2001年收購了MetaplasIonon，并把這一業(yè)務(wù)擴(kuò)展到中國，于2008年在上海批量生產(chǎn)。

（3）韌性化合物層

大多數(shù)零件的滲氮，都要求形成一定厚度的化合物層，但由于滲氮化合物層脆性較大，往往限制了滲氮的應(yīng)用。利用離子激活技術(shù)，可以形成γ′或γ′+α組成的高韌性滲氮化合物層，大大推進(jìn)了離子滲氮在高端技術(shù)要求方面的應(yīng)用。

（4）不銹鋼和高合金鋼

這類鋼表面有較致密的氧化膜，它阻礙滲氮時(shí)氮原子的擴(kuò)散滲入，并且難以形成均勻的**滲氮層。離子激活技術(shù)可確保利用離子轟擊的濺射清理作用，清除表面的鈍化膜，并通過離子激活使氮原子順利進(jìn)入表面內(nèi)層，形成均勻的滲氮層。

2.離子滲氮質(zhì)量

離子滲氮技術(shù)發(fā)展，針對離子滲氮質(zhì)量應(yīng)更新觀念，孤立地控制滲氮層的硬度與層深，限制了離子滲氮技術(shù)的全面發(fā)展。

為此，我們提出了離子滲氮質(zhì)量的三層理念。

（1）化合物層

在滲氮過程中利用化合物層的形成可加速擴(kuò)散層的形成。滲氮后形成滲氮層表面的化合物層是脆性相，合理地控制化合物厚度和相結(jié)構(gòu)，可以有效地提高滲氮表面耐磨性和耐蝕性，并可有效地減少化合物層脆性，適應(yīng)不同零件的各種表面性能要求，提高滲氮件的強(qiáng)韌性和抗疲勞性。

（2）擴(kuò)散層

選擇合適材料和工藝可以得到無脈狀組織的**強(qiáng)韌化擴(kuò)散層，滲氮層強(qiáng)化主要作用是擴(kuò)散層，高度強(qiáng)化的擴(kuò)散層表現(xiàn)為良好的硬度梯度和.佳的表面應(yīng)力狀態(tài)。擴(kuò)散層深度是強(qiáng)化的另一重要指標(biāo)，重載負(fù)荷下的滲氮擴(kuò)散層應(yīng)加厚，但是增加擴(kuò)散層深度，會(huì)增大滲氮工件變形量。

（3）基體

滲氮基體組織及其均勻性是影響滲氮氮原子擴(kuò)散和形成彌散強(qiáng)化相與良好擴(kuò)散層的關(guān)鍵之一，常用調(diào)質(zhì)鋼基體合金元素的均勻分布，金相組織無偏析是形成**擴(kuò)散層的重要條件?；w強(qiáng)化不脆化是提高滲氮件承載能力基礎(chǔ)，基體的組織和應(yīng)力狀態(tài)影響滲氮件整體性能。

因此，綜合控制化合物層、擴(kuò)散層和基體，充分發(fā)揮每一層的有利作用，以實(shí)現(xiàn)有效控制滲氮質(zhì)量，獲得**強(qiáng)韌化滲氮件。

對滲氮結(jié)構(gòu)零件的服役條件分類，至少有以下6種：

①只要求零件表面耐磨。

②要求零件表面耐磨兼抗疲勞性。

③要求零件表面耐磨兼耐蝕性。

④要求零件在重載下耐磨和較長使用壽命。

⑤要求零件在輕載交變接觸應(yīng)力下長壽命工作。

⑥要求零件在重載交變接觸應(yīng)力下長壽命工作。

根據(jù)上述服役條件，可以對滲氮零件提出性能要求并進(jìn)行主次排序：

①耐磨性。

②抗疲勞性。

③耐蝕性。

④韌性。

⑤強(qiáng)度。

針對零件不同的服役條件，滲氮零件必須綜合考慮滲氮化合物層、擴(kuò)散層和基體強(qiáng)韌性的合理配置，充分發(fā)揮離子滲氮離子激活的優(yōu)勢，把三層理念充分運(yùn)用到制定滲氮工藝中，提出了淺層滲氮、深層滲氮和深層滲氮硬化工藝，還有無化合物層、無脈狀組織和韌性化合物層等特種離子滲氮工藝。

離子滲氮工藝應(yīng)以性能優(yōu)先，優(yōu)先**零件服役條件對性能要求排序中主要性能的要求，所采用的工藝應(yīng)以低溫優(yōu)先，可實(shí)現(xiàn)離子滲氮的優(yōu)勢，獲得**滲氮層和強(qiáng)化的基體。以42CrMo鋼為例，基體290~320HV，為達(dá)到滲氮層深0.40mm以上，可選450℃×50h，或480℃×30h或500℃×20h；為達(dá)到滲氮層深0.20mm以上，可選450℃×30h，或480℃×20h，或500℃×10h。

離子滲氮將以微變形、高性能、廣應(yīng)用和環(huán)保好的優(yōu)勢不斷向前發(fā)展。