我國離子滲氮技術的發(fā)展，借鑒了德國離子滲氮技術開發(fā)和生產應用的經驗，自主研發(fā)和生產實踐形成了我國大規(guī)模離子滲氮工業(yè)應用的局面。一般認為我國離子滲氮的發(fā)展，從1966年湖南湘江機器廠研制成功的小型離子滲氮裝置開始，在20世紀70年代初開始工業(yè)應用，到80年代中期我國離子滲氮設備和工業(yè)應用規(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，應該好好總結一下。我們是在不斷擴大離子滲氮自身優(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、設備容易適應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（尤其是復雜形狀工件）、測溫準確性、空心陰極效應等；不斷在改進技術中發(fā)展和形成工業(yè)規(guī)模，從冷壁爐改進成熱壁爐。設備從自制到專業(yè)廠生產，從手動控制到計算機控制，工藝從單一離子滲氮擴展到氮碳共滲、多元共滲、滲金屬和滲涂復合處理。

20世紀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世紀風電產業(yè)的發(fā)展，又促進300~500A離子滲氮爐的大批投入生產，大大促進了離子滲氮的工業(yè)化。青島豐東公司開發(fā)的高品質離子滲氮爐和活性屏離子滲氮爐，對我國離子滲氮產業(yè)向高端發(fā)展有著重要意義。

我國伴隨著離子滲氮技術的發(fā)展形成了離子滲氮產業(yè)，總的評價我國現(xiàn)在離子滲氮產業(yè)的工業(yè)化水平，已能滿足工業(yè)產品的一般要求，但是離子滲氮高端質量產品的批量生產，從技術和裝備上都還不適應產業(yè)化規(guī)模要求。因此，現(xiàn)在處于離子滲氮產業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的關鍵時期，必須充分發(fā)揮離子滲氮自身獨有的優(yōu)勢，弱化短處，在滲氮表面強化技術和工藝上形成一整套獨特的方案，開發(fā)出特種離子滲氮設備。工業(yè)應用應從“遍地開花”到重點突破，尤其向高端產品方向突破。

                                       

二、離子滲氮技術

1.離子滲氮技術特點

離子滲氮技術的獨有特點是離子轟擊、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原子分解產生活性離子，同時離子激活陰極工件表面產生大量微觀缺陷和活化表面，在活化表面上反應形成氮化物層，因此控制和調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、濺射反應和激活效應，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理不同，產生的化合物層相結構也不同。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，如果預先經過氬氣4h離子濺射激活處理，再經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散，加速了擴散層的形成。

離子激活技術（Plasmaactivated technology）的應用：

（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，可以同時提高滲層的耐腐蝕性和耐磨性。采用離子激活技術可以在離子滲氮化合物層表面產生大量微觀缺陷和表面活化，在激活擴散過程中表面化合物發(fā)生轉變ε- 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方面的優(yōu)勢，把離子激活應用在氣體氮碳共滲上，使氣體氮碳共滲后的表面，經過離子激活后產生大量微觀缺陷和活化，接著進行氧化，結果產生一個結合力很強的致密氧化層，這一工藝在歐洲已經大量應用。汽車球頭銷氮碳共滲后氧化的大批量生產是.成功的一例。SulzerMetco公司于2001年收購了MetaplasIonon，并把這一業(yè)務擴展到中國，于2008年在上海批量生產。

（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用。利用離子激活技術，可以形成γ′或γ′+α組成的高韌性滲氮化合物層，大大推進了離子滲氮在高端技術要求方面的應用。

（4）不銹鋼和高合金鋼

這類鋼表面有較致密的氧化膜，它阻礙滲氮時氮原子的擴散滲入，并且難以形成均勻的**滲氮層。離子激活技術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入表面內層，形成均勻的滲氮層。

2.離子滲氮質量

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

為此，我們提出了離子滲氮質量的三層理念。

（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構，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，適應不同零件的各種表面性能要求，提高滲氮件的強韌性和抗疲勞性。

（2）擴散層

選擇合適材料和工藝可以得到無脈狀組織的**強韌化擴散層，滲氮層強化主要作用是擴散層，高度強化的擴散層表現(xiàn)為良好的硬度梯度和.佳的表面應力狀態(tài)。擴散層深度是強化的另一重要指標，重載負荷下的滲氮擴散層應加厚，但是增加擴散層深度，會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散和形成彌散強化相與良好擴散層的關鍵之一，常用調質鋼基體合金元素的均勻分布，金相組織無偏析是形成**擴散層的重要條件。基體強化不脆化是提高滲氮件承載能力基礎，基體的組織和應力狀態(tài)影響滲氮件整體性能。

因此，綜合控制化合物層、擴散層和基體，充分發(fā)揮每一層的有利作用，以實現(xiàn)有效控制滲氮質量，獲得**強韌化滲氮件。

對滲氮結構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力下長壽命工作。

⑥要求零件在重載交變接觸應力下長壽命工作。

根據(jù)上述服役條件，可以對滲氮零件提出性能要求并進行主次排序：

①耐磨性。

②抗疲勞性。

③耐蝕性。

④韌性。

⑤強度。

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、擴散層和基體強韌性的合理配置，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，所采用的工藝應以低溫優(yōu)先，可實現(xiàn)離子滲氮的優(yōu)勢，獲得**滲氮層和強化的基體。以42CrMo鋼為例，基體290~320HV，為達到滲氮層深0.40mm以上，可選450℃×50h，或480℃×30h或500℃×20h；為達到滲氮層深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、廣應用和環(huán)保好的優(yōu)勢不斷向前發(fā)展。