图2-1中，A为阳极、B为阴极、C是放电管、V是直流电源、K是开关、R是限流电阻。

图2-2是用图2-1所示装置测得的气体放电伏安特性曲线，可以看出，阴阳极间气体放电时，两极间电压与电流之间的关系不符合欧姆定律。

对真空容器的两极逐渐增加电源电压的过程中，开始阶段极间电压很低，不可能发生电子与气体间的碰撞电离，因而阴阳极间并没有可见的电流，这只能靠外电源维持的非自持放电。当电压增加到C点（Vs）后即由非自持放电过渡到依靠二次电子发射维持的自持放电阶段，两极间突然出现了大的电流，阴极部分表面产生了辉光，若继续增加电源电压（或减小限流电阻），则两极间电压立即下降到E点的数值。此时继续增加电源电压或减小限流电阻，阴极表面覆盖辉光的面积随之增大，电流增大，但极间电压不变，至图中所示的F点时阴极表面完全为辉光覆盖。再继续增加电源电压（或减小限流电阻），随着电流的增加，极间电压也上升，如图中的FG段。过了G点以后，电流突然急剧增大，而极间电压反而急速地下降，这时辉光熄灭，阴极表面出现强烈的弧光放电。

图中C点电压称为辉光点燃电压，C点之前称为非自持放电（即不能脱离天然电离源的存在）阶段，C点之后称为自持放电（即辉光放电）阶段，OB段为无声非自持放电、BC为非自持暗放电，CD段为自持暗放电，DE段为自持的正常辉光放电前的过渡阶段，EF段为正常辉光放电区，此区的电压基本不变，电压值接近点燃电压的最低值，在离子渗氮炉中约400~500V。FG段称为异常辉光放电区，离子渗氮炉运行中主要用的就是这一段，在这个区段可通过控制电压调节电流，从而控制工件的加热温度，G点以后称为弧光放电区，由图可见，G点的电流和电压均很高，这种弧光放电形式只有在阴极表面极为纯净时才会发生，在离子渗氮炉中往往在不大的电压和电流以及很低的温度下就过渡到弧光放电。弧光放电是在阴极表面某一小区域与阳极之间进行，大量的正离子轰击阴极一个小区域，很短时间就可以使该阴极局部因高温而熔化损坏。因此，离子渗氮炉中应注意避免发生弧光放电，电源控制系统应能在发生弧光时自动切断电源熄灭弧光，然后自动点燃辉光，继续工作。

1.正常辉光放电

正常辉光放电是一种稳定的自持放电，对应着伏安特性曲线的EF段。正常辉光放电时，从阴极到阳极辉光的光强度分布是不均匀的。从阴极至阳极的整个放电空间可分为八个区，依次为：阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区。

阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区这三个区域之和称为阴极位降区，其区域宽度之和称为阴极位降区长度dk，dk若再加上负辉区宽度，则称为阴极放电长度。阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的条件。辉光放电时阴阳两极之间各区的电压降并不均匀，阴极位降区电压陡降，其它区电压降比较平稳。

正常辉光放电时，在气体种类和阴极材料一定的情况下，不论气压和极间距离如何，阴极位降都是一常数，等于最低点燃电压。具体表现为，正常辉光放电中，当气体种类和阴极材料一定时，阴极位降区长度dk仅和气体的压强P成反比，即P·d_k=常数，如氨在低温正常辉光放电时，P·d_K=667Pamm。

2.异常辉光放电

离子渗氮时应把工作状态调节在伏安特性曲线的异常辉光放电区，即图中的FG段，这时放电电流密度随电流成比例增大，电场更加畸变，此时阴极位降和阴极位降区既和气压有关，还于电流密度有关，阴极全部布满辉光。与正常辉光放电相比，异常辉光放电具有更大的电流、电压，也提供了工件升温和进行气相反应、阴极溅射等所必需的能量条件。

辉光的颜色因气体种类不同而异，氢呈淡蓝色，氮呈紫红色，氨呈紫蓝色。

第三节 离子渗氮理论及离子渗氮的特点

一、离子渗氮理论

二十世纪六十年代离子渗氮理论开始应用于生产实际，至今已经历了近四十年，离子渗氮已经成为离子热处理技术中最成熟、最普及、最富有生命力的工艺。

随着工艺技术的进步，离子渗氮理论也在不断充实完善，但至今尚无一种理论能解释所有离子渗氮现象，因此，从这种意义上讲，等离子体热处理的实际应用已远远走在了其理论前面。

人们在不同的试验条件下，先后提出了溅射、氮氢分子离子化、中性原子轰击等几种离子渗氮理论。尽管这些不同程度地存在一定的局限性，但不容置疑的是，这些理论都在一定程度上指导着应用技术的研究，指导着实践。

以下仅对溅射理论做一简要介绍。

溅射理论是一种为许多人所接受（或默认）的经典理论，该理论于1965年由J.kolbel提出，其模型如图3-1所示。该理论认为，渗氮层是通过阴极溅射形成。在真空炉体内，工件为阴极，炉体为阳极，加上直流高压后，稀薄气体电离，形成等离子体。N⁺、H⁺、NH₃⁺等正离子在阴极位降区被加速，轰击工件（阴极）表面，其动能消耗于：

①转化为热能加热工件。

②打出电子，产生二次电子发射。

③阴极溅射。高能正离子轰击阴极造成C、N、O、Fe等原子溅射，而Fe不断与阴极表面附近的活性氮原子化合成高氮化合物FeN（Fe成为活性氮的载体），由于背散射又沉积到阴极表面，随后在离子轰击和热激活作用下，氮化铁分解（FeN→Fe₂N→Fe₃N→Fe₄N）转变为低氮化合物，分解析出的氮原子一部分扩散进钢铁内，一部分返回等离子区。

这一模型的主要试验根据是收集急冷的溅射沉积物，分析其中的氮含量约达19.7%，于是推断是理论含量20.05%的FeN。

二、离子渗氮的特点

（一） 离子渗氮的优点

与气体渗氮相比，离子渗氮具有许多优点，主要表象在：

1、渗速快

等离子体不仅供氮化能力强，而且可使工件表面活化，产生加速吸收和扩散的缺陷，因而离子渗氮可以大大缩短渗氮时间，特别是浅层渗氮时更为突出。例如渗氮层深度在0.3~0.5mm时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/3~1/5。

2、渗层组织易于控制、脆性小

气体渗氮工件表面会出现20μm以上的化合物层，是由ε+γˊ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施加外力，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，气体渗氮后均要把它磨去后才能使用。离子渗氮可以通过控制气氛中的氮和碳的含量比，或N₂和H₂的比例，可以获得5~30μm厚的脆性较小的ε相单相层或0~8μm厚的γˊ相单相层，也可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。

3、工件变形小

因离子渗氮渗速快，所以渗氮时间大大缩短，又由于离子渗氮可以在更低的温度下进行（事实上350℃以上离子渗氮就有明显的硬化效果），并且阴极溅射作用可以弥补部分由于渗氮而造成的尺寸膨胀，真空加热、真空冷却可以控制加热速度，使之均匀，所以变形量比气体渗氮要小。

4、节能、省气

离子渗氮时，由于采用辉光放电加热工件，电能利用率高（主要集中消耗在工件上），与其它渗氮法的外热式装置相比，耗电较少。此外，因离子渗氮速度快，周期短，则必然比普通气体氮化能耗低。据统计，电能消耗仅为气体渗氮的40%~70%。离子渗氮是在66.5~798Pa低气压下进行的，离子渗氮的气压只相当于普通气体渗氮的百分之一以下，因此耗气量极少，仅为气体渗氮的百分之几。

5、无毒、无臭、无公害

气体渗氮，盐浴渗氮均有污染问题。离子渗氮可以用N₂+H₂、分解氨，无污染问题。即使采用氨气进行离子渗氮，由于压力很低，使用量极少，也不会产生公害及爆炸问题。

除上述优点之外，离子渗氮还具有渗层性能（耐磨性、耐蚀性等）优于气体渗氮，设备维护费用低，使用寿命长，工作劳动强度小的特点。

二、离子渗氮的不足之处

1、离子渗氮设备相对比较复杂，一次性的设备投资通常比气体渗氮高。

2、先进的工艺装备对劳动者的素质要求较高。

3、准确测定零件温度较困难。

4、离子渗氮的温度场是不均匀的温度场，要使所装各工件（尤其是混装）温度均匀一致较困难，需积累一定的经验。

熟悉并用好离子渗氮设备是掌握离子渗氮技术的关键之一。本章内容请参阅我所编著的《LD（LDMC）系列辉光离子渗氮设备使用说明书》。

严格说来，离子渗氮的工艺规范包括选材和确定工艺参数两个部分，只有根据渗氮零件的使用性能和要求选择恰当的材质和合理的工艺参数，才能达到离子渗氮的预期效果。

第一节 离子渗氮材料

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的服役状况而定。从理论上讲，几乎所有钢铁材料均可以实施离子氮化处理，但氮化后的实际使用效果确有着很大的差异。这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。

目前，离子渗氮一广泛用于碳钢、合金结构钢、工模具钢、不锈钢、铸铁以及钛合金的表面强化。随着离子渗氮技术（设备及工艺）的进步，可进行离子渗氮的材料将愈来愈多。表4-1中分类列出了常用的渗氮材料。

第二节 离子渗氮工艺参数及其对渗层组织的影响

在离子渗氮实践中,通常进行控制的参数有六个,即气体成分、气体总压力(也称真空度)、电流、电压、渗氮温度和渗氮时间，常称为“六大工艺参数”。

一、气体组分

目前常用与离子渗氮的介质有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。

氨气通常有液氨气化而成，因其价格低廉、来源广泛、使用方便已成为使用最广泛的离子渗氮介质。但直接使用氨气也有不少缺点。其中最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、温度和起辉面积而变化。因此直接用氨气进行离子氮化（或软氮化）都无法控制渗层组织。一般只能得到

ε+γ′相的混合化合物层（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匀而使温度不均匀。尽管如此，对大多数性能要求不太高的工件来说，NH₃仍是使用最多的离子渗氮气源。

为了避免使用冷氨直接通入炉内存在的上述缺点，人们将NH3通过高温（700~900℃）热裂解后在通入炉内，收到了较满意的效果。氨气的分解率可通过调整裂解温度予以控制。

N₂+H₂的混合气也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。与氨及热分解氨相比，可更方便地调节渗氮气氛的氮势，容易控制渗氮层的组织。在离子渗氮的负压状态下使用氢气是安全的。

炉内气氛对渗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，易促使ε相的形成，而使γ′相减少。降低氮浓度，易形成γ′相。但氮浓度太低时，渗氮层会减薄，渗速降低。为了获得γ′相，N₂和H₂混合比一般采用1：9~2：8为宜。碳钢可采用2：8；渗氮钢特别是38CrMoAl宜采用1：9。②化合物层中ε相体积百分数均随着含碳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Fe₃C，此时ε量达最大值，若继续增大含碳气氛比例，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。

二、渗氮温度

渗氮温度是离子渗氮极为重要的工艺参数。温度的高低将直接影响到渗速、表面硬度、渗层厚度及相结构、工件变形等。

离子渗氮温度可根据零件材质、零件技术要求（包括渗氮层硬度、深度、心部硬度和允许的变形量）等因素综合考虑确定。生产上常用的离子渗氮温度范围为450~650℃。渗氮温度低对结构钢而言能得到较高的渗层硬度、保持较高的心部强度、减少工件变形，但渗层较浅；580℃以上温度的离子渗氮一般只用于高合金不锈钢和含钛、钒的快速氮化钢，为了提高渗速、缩短生产周期，这类材料采用较高的氮化温度，但由于其渗氮形成的合金氮化物比较稳定，不至于因温度较高而聚集长大，所以渗氮后仍保持较高的表面硬度。

研究表明，化合物层、过渡层厚度及表面硬度均随温度的变化出现各自的极大值点，对应极大值的温度随钢种不同而异。渗氮温度的不同也将改变化合物中组成相的百分比。例如：在N₂和H₂混合气体中离子渗氮时，对于每一种钢存在一个转折温度Tc，低于Tc时，随着温度的提高，γ′相增多，ε相减少，而高于Tc时，随着渗氮温度的提高γ′相减少，ε相增多。

三、气体总压力

离子渗氮时，气体压力影响辉光放电特性，气压高时，辉光收缩集中；气压低时，辉光漫散。离子渗氮的工作气压范围一般为100~1200Pa，生产中最常用的气压范围是300~600Pa。

短时间（如1小时）渗氮时，气压变化对化合物层相结构和厚度及总渗层深度有显著影响，存在一个极大值。但长时间渗氮时，一般认为气压对总渗层没有影响（因为总渗层深度主要由氮的扩散过程所决定），只对化合物层的相结构（改变气压于改变温度的效果相似）和厚度产生影响。

选择气压时除了考虑对渗层组织的影响外，在实际生产中最重要的是考虑工件温度均匀性。由于工件与阳极的距离不可能完全相等，改变气压会引起工件表面电流密度分布的变化，从而改变了温度分布。此外，还要防止气压不当引起工件上孔、沟槽等部位产生辉光集中。

四、渗氮时间

渗氮时间的长短主要根据工件材料及工件所要求的渗层深度和渗氮温度而定，短则几分钟，长则几十小时。

一般认为，扩散层深度与时间服从抛物线关系。化合物层的厚度与时间的关系分为二段，氮化初期，两者间成直线关系，而后两者呈抛物线关系。保温时间也影响到化合物层中的相组成，氮化最初形成的化合物层中ε相最多随着时间的延长，ε相减少，γ′相增加，从而使ε相相对含量急剧减少，而后下降趋势变缓。

离子渗氮初期氮的渗入速度最快，所以渗层深度要求0.2~0.3mm以下的零件，离子渗氮保温时间只需6~12小时，因此，单纯从经济角度看，这一渗层是最为合理的。

五、电参数（电流和电压）

离子渗氮时电压和电流密度的大小主要取决于渗氮温度、气压、阴阳极距离等。

电压直接决定着阴极溅射强度，两极间电压越高，离子的能量越大，阴极溅射越强烈。因此，电压对化合物层相结构，零件尺寸的膨胀量产生一定的影响。

实验表明，辉光电流密度在0.5~5Ma/cm²，电压400~800V，阴阳极之间距离取30~70mm（也有人以为取8~15mm）时加热功率最小。

放电功率对渗氮层厚度也有影响，在一定范围内，化合物层和扩散层厚度随功率增加而增加。离子渗氮单位面积的加热功率一般为0.2~0.5瓦/cm²。

综所上述，六大工艺参数对渗氮过程及渗层组织性能均有不同程度的影响，生产实践中，具体的工艺参数应根据零件的材质和具体要求而定。

表4-2列出了部分材料经离子渗氮处理后的的硬度和深度参考范围，可供制定工艺时参考。

离子渗氮的工艺过程主要包括渗氮前的预先热处理、工件清洗、装炉、打弧升温、保温、冷却降温及出炉等几个过程。以下逐一叙述。

一、渗氮前的预先热处理

为了保证渗氮零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，为获得良好的渗氮层组织性能提供必要的原始组织，并为机械加工提供条件，零件渗氮前必须进行不同的预先热处理。

1.氮化工艺参数对预先热处理工艺的要求

预先热处理中最后一道工序的加热温度至少要比渗氮温度高10℃（一般高20~40℃）。否则，零件在氮化过程中其心部组织及力学性能将发生变化，零件的变形量将无法控制。

2.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。

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10℃（一般高20~40℃）。回火温度越高，工件硬度越低，基体组织中的碳化物弥散度愈小，渗氮时氮原子易渗入，渗氮层厚度也愈厚，但渗层硬度也愈低。因此，回火温度应根据对基体性能和渗层性能的要求综合确定。调质后理想的组织是细

小均匀分布的索氏体组织，不允许存在粗大的索氏体组织，也不允许有较多的游离铁素体存在。

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

调质后，若工件的硬度或金相组织不合格，允许返工。

工、模具钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火处理。

不锈钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火，目的是为了消除加工应力和改善组织。对硬度要求不高的工件可采用退火处理。奥氏体不锈钢通常采用固溶处理。

正火预先热处理只适用于对心部强度和韧性要求不高的渗氮件，正火时冷却速度不宜过慢。尺寸较大的零件不宜采用正火处理，因正火时过慢的冷却速度会产生粗大组织，渗氮后表面硬度低且不均匀。正火后不合格的工件允许返工。

球铁的预先热处理多采用正火处理。

退火处理在钛合金中运用较多，结构钢中极少采用退火处理。38CrMoAl钢不允许采用退火处理，否则渗层组织结构中易出现针壮氮化物。

对于经过变形（如冲压、锻造、机加工等）的零件，应进行去应力退火处理，以减小渗氮变形。

还需要说明的是，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，正火时冷却速度不易过慢，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易用正火态，而应调质处理。

总之，采用何种预先热处理工艺，应依据工件的使用性能综合确定。

二、工件的清洗

离子渗氮对工件的清洗要求比气体渗氮更加严格，既要清洗掉工件表面的油污、锈斑、油漆和画线遗留的紫色涂料，又要清除掉工件小孔、焊接件的空腔内及组合件的结合面上残存的油类等易挥发物，否则，随工件温度的升高，在挥发物蒸汽逸出处，将引起持续不断的电弧。集中不断的电弧将给操作人员的操作带来困难，并将延长升温过程，进而延长整个工艺周期，在挥发物蒸汽逸出处如果产生强烈的电弧还可能导致该部位局部烧熔。因此，清洗的目的是为了尽量减少打弧，避免打大弧，避免因强烈的弧光放电而损伤工件，使渗氮过程得以顺利进行。

常用的清洗剂是汽油和工业清洗剂。

汽油洗涤适用于零星渗氮件和大型工件，汽油清洗的特点是去污迅速彻底，使用方便。当需要大批量清洗时，汽油清洗的效率太低，操作者的劳动条件较差，而且新汽油和使用过的汽油均存在安全存放和安全使用问题。

而工业洗涤剂则适合于清洗大批量的中小件，既适用于手工清洗，也适用于机器清洗。清洗剂一般需加热后使用，清洗后的工件需要漂洗干净，并及时烘干，以免生锈。因上述原因，清洗剂不适用于小批量零件的清洗。

无论使用何种清洗剂清洗，清洗后的工件均须等工件表面蒸发干燥后方可装炉。清洗过程中还应一并除去工件上的锈斑、飞边毛刺及孔内的铁削，尽量避免将棉纱粘在工件上。

三、工件的局部防护

气体渗氮的局部防护常常仅限于非渗氮部位的防渗，而离子渗氮的局部防护概念则大为扩展，以下几种情况下均需考虑局部的防护问题：

1、工件上容易产生辉光集中而又可以不渗氮的部位需要屏蔽。如工件上的小孔和窄缝沟槽。

2、不要求渗氮的部位或渗氮后还需要加工（磨削除外）而要求较软的部位。

3、为了减少变形，把渗氮局限在必需渗氮的部位。

4、工件上易形成应力集中的部位渗氮时应进行防护。

5、因不锈钢渗氮后耐蚀性大幅下降。因此，不锈钢工件上要求耐蚀性而不要求提高耐磨性的部位需要防护。

局部防渗一般采用机械屏蔽方法，在不需要渗氮的地方插入、旋入、套上或盖上形状和尺寸合适的钢件，也可以利用工件不需要渗氮的表面相互接触屏蔽。屏蔽物和被屏蔽物处并不要求紧密配合，但应保证屏蔽边缘缝隙不大于0.5mm（此距离内放电辉光不能进入缝隙）。屏蔽物与工件处于同一电位，因此，屏蔽物也会起辉。屏蔽物可用普通碳钢制作，并可反复使用。

四、合理装炉

与气体渗氮炉不同，离子渗氮炉中的温度场是一个相对不均匀的温度场，但这并不意味着离子渗氮炉中工件的温度就一定不均匀。这里面牵涉到一个如何装炉的问题。不同的炉型，不同的零件结构，不同的装炉量，装炉方式均不相同，有时为了保证温度的均匀，还需设辅助阴极或辅助阳极。总之，合理的装炉方式需要根据生产实践和经验的积累来确定。

装炉量一般根据炉子功率和渗氮零件（包括工夹具）起辉表面积确定。单位面积加热功率在0.5~3W/cm₂范围内，取决于加热温度、零件结构、炉子结构和装炉量等因素。对于同样的零件，装炉量越大，达到同一渗氮温度所需的功率密度越小。因此，从提高生产率和节能的角度出发，在炉子功率、容积和操作允许的条件下，增大装炉量是合理的。

此外热损失越小的炉子，功率密度越小。

在生产实践中，往往还需随炉放置一定数量的试样。如果试样的温度与工件不一致，试样的渗层不能代表工件的渗层，那么，试样的放置是毫无意义的。离子渗氮对试样及其安放位置均有较高要求，试样的形状尺寸最好和工件相似，或者表面积或重量和工件相似，且试样的安放位置应尽可能反映整炉渗氮零件的处理状态。这些要求在生产实际中往往很难做到。因此，对于大批量小件的渗氮，可考虑直接检验实物，对大件和小批量零件则需根据实践经验合理制作和安放试样。

五、抽真空和打弧

零件装炉完毕后即可罩上炉罩，开启真空泵抽真空，待真空度抽至50Pa以上后，即可通电起辉。零件起辉后有一打散弧清理阶段。根据零件清洗的干净程度和零件装炉量的多少，打弧时间由几分钟至几小时不等。

打弧阶段的气压、电压、电流等参数的正确调节极为重要。调节得好可以减少打弧时间。调节的方法主要是选用合适的电流密度。电流密度过大，打弧现象严重，甚至由于打弧使工件表面辉光熄灭。电流密度过小，则辉光清洁工件表面的作用缓慢，使打弧时间延长。采用低气压、高电压可以加强阴极溅射，缩短打弧时间。

操作者应能正确地判断各种不同的打弧情况，这对维持正常生产是非常必要的。当打弧点没有固定位置，在工件表面上不断变换位置时，打弧将逐次减少直至停止打弧，电流电压随之升高，这种现象是打弧阶段的正常情况，打弧是由于刚起辉时零件表面的非导电物引起的，这种打弧有进一步清洁工件表面的作用。孔、沟槽中机油挥发引起的打弧，其特点是：当零件升温至200~400℃时，弧点集中在出油孔洞、沟槽四周，打弧断续相间，这种打弧，不需要停炉。可以适当减少电压、气压，使打弧电流减小，油挥发干净之后，打弧自然停止。小缝或小孔引起的打弧，一般是集中在小缝或小孔处，连续打弧不间断。当减少氨气流量，降低气压，辉光厚度加厚时打弧停止。当气压超过某一定值后又引起严重打弧，遇到这种情况，首先要判断使小缝或小孔不断打弧的最高气压所决定的最大电流能否维持工件升温、保温的需要。若能维持、则渗氮处理还能勉强继续进行，若维持不打弧的电流太小，不能升温，就必须看清打弧源的位置，停泵吊起炉罩，消除引起打弧的根源，再重新抽真空升温。

升温速度主要取决于零件表面的电流密度、零件体积与产生辉光的表面积之比以及零件的散热条件等。电流密度越大，升温速度越快。但升温速度不宜过快，以免工件温度不均匀。形状简单的零件升温可以快些。影响电流密度的主要因素是电压、气压和工件温度。当温度不变时，气压加大，电流密度也增加。气压太低时，辉光厚而散。往往电压加到最高，电流密度也不足以升高，这时一定要提高气压，使辉光减薄，电流密度即随之增加。电流密度还与工件温度有关，当气压、电压都不变时，温度升高气体密度减小，电流密度就减小。所以在升温过程中欲保持电流密度不变，就需要随着温度升高不断增加氨气流量或减少抽气率，或是加高电压。

六、保温

保温阶段的电流密度应比升温阶段小。实际需要多大电流密度才合适，需要有一个调整过程。调整的目的是使工件的温度保持不变。当工件温度在保温阶段还继续上升时，说明保温电流密度太大，需要继续减少，当工件温度在保温阶段内，温度开始下降，说明保温电流密度太小，应适当加大电流密度。调节电流密度的方法，可调电压或气压。当工件温度调节到渗氮温度，且已稳定时，不要经常调整电压和气压。正常保温阶段是很少打弧的，各项参数也不需要经常进行调整。

七、冷却出炉

保温结束后的冷却往往采用关闭阀门，停止抽气和供气，切断辉光电源，使零件在渗氮气氛中随炉冷却的方式，有些单位习惯于用停止供气，继续抽气使炉内保持较高的真空状态下，切断电源，让零件在真空状态下随炉冷却的方式。此法应该说不尽合理，因为在离子渗氮设备的低真空状态下反而易造成零件氧化。为了保护炉体并增加冷速，停炉后继续通冷却水，工件温度降到200℃以下方可出炉。对工件有特殊性能要求时，也可保温结束后油冷或通入大量惰性气体（如高纯N₂）加速冷却。

应当指出的是，氮化完毕后不再继续使用氮化炉时，应使氮化炉保持真空状态，以免炉体长时间暴露于大气中，内部结构生锈或吸附气体而影响设备的真空度。但切记注意，下次使用炉子时，在打开炉罩或炉盖前，必须首先打开放气阀放气。否则，极易损坏设备。

第一节 离子渗氮层的组织特征

钢制工件离子渗氮层结构与气体渗氮相似。但离子渗氮易于调整工艺参数，既可获得化合物层+扩散层结构的渗层，也可获得仅有扩散层结构的渗层。其中，化合物层中的相组成又可因工艺参数的不同而各异。生产实践中，应根据工件的服役条件选择合理的渗层结构。例如：对承受疲劳磨损和交变负荷的工件，最好是在工件表面获得仅有扩散层或具有适当的γ′相为主的化合物层。

一、化合物层

化合物层是由铁和氮的金属化合物组成的薄层，通常也称之为白亮层。因渗氮工艺参数的不同，获得的化合物层的相组织也不同，主要有γ′、γ′+ε、ε、ε+γ′+Fe₃C、ε+Fe₃C和ε+γ′+Fe₃O₄等几种形式。

γ′相是面心立方晶格的金属间化合物Fe₄N,具有足够的耐磨性和良好的韧性。ε相是六方晶格的金属间化合物Fe_2-3N,具有良好的耐磨性、抗蚀性和一定的韧性。

一般认为，单相的化合物层不但具有高硬度，而且具有较好的韧性，其中

γ′相的韧性又胜过ε相，但若出现混合相γ′+ε的化合物层则是脆性的。化合物层不同的相组成对工件耐抹性我，抗疲劳强度和韧性的影响比较复杂，此处不加讨论，读者可参阅有关文献。

渗氮工艺参数对化合物层相组成的影响已在本教材第三章第二节中作过专题讨论。此处仅就渗氮工件材料对化合物层相组成的影响（也即合金元素对化合物层相组成的影响）作一简要介绍。

一般认为，钢中碳含量低易形成γ′相，反之则易形成ε相。当钢中含有强氧化物形成元素（如Al、Cr、V、Mo等）时，由于这些元素和氮的亲和力较强，使表层氮浓度升高，合金元素溶于固溶体及碳化物中，易于吸收氮，因此，合金钢比同样含碳量的碳钢更易获得ε相，而不易获得γ′单相。

二、扩散层

在化合物层以内，随着氮的扩散而形成扩散层，扩散层也称为过渡层。

对碳钢，进入扩散层的氮固溶于α-Fe中，扩散层基本由氮α_N+γ′+Fe₃C组成。（若渗氮后快冷，固溶于α-Fe中氮呈过饱和状态，对提高疲劳强度有利。若随炉冷却，则靠近化合物层处α_N会析出γ′相，离化合物层较远处α_N会析出

α′相，组成为Fe₁₆N₂）。对于含有Al、Ti、V、Cr等合金元素的合金钢，由于合金元素使α相中的氮溶解度大幅度提高（对一般合金钢α-Fe的溶氮量可从0.1%提高到0.5~1.0%）。因此，进入扩散层的氮除更多地固溶于α-Fe中，氮还与合金元素形成高硬度、高弥散的合金氮化物，所以，合金钢的扩散层由α_N+γ′+Fe₃C+合金氮化物组成。这也是合金钢与碳钢相比，扩散层硬度高得多，硬度梯度较平缓，抗疲劳强度得以提高的原因。

第二节 离子渗氮层的质量检验

离子渗氮层的质量检验可遵照GB11354-89《钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验》及JB/T6956-93《离子渗氮》两个标准执行，此处不再重述。

第三节 离子渗氮的常见缺陷

一、 硬度偏低

生产实践中，工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。造成硬度偏低的因素是多方面的。有设备方面原因，如系统漏气造成氧化；有选材方面的原因，如材料选择不恰当；有前期热处理方面的原因，如基体硬度太低、表面脱碳等；有工艺方面的原因，如渗氮温度过高或过低，时间短或氮势不足而造成渗层太薄等等。只有根据具体情况，找准原因，问题才会得以解决。

二、 硬度和渗层不均匀

装炉方式不当，气压调节不当（如供气量过大），温度不均，小孔、窄缝未屏蔽造成局部过热等均会造成硬度和渗层不均匀。

三、 变形超差

变形是难以杜绝的，对于易变形件，采取以下措施，有利于减小变形。渗氮前应进行稳定化处理（稳定化处理的次数依据需要可以是一次或几次），直至将渗氮前的变形量控制在很小的范围内（一般不应超过渗氮后允许变形量的50%），渗氮过程中的升、降温速度应缓慢，保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致。对变形要求严格的工件，如果工艺许可，尽可能采用较低的氮化温度。

四、 外观质量差

渗氮件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢铁零件竟渗氮处理后表面通常呈银灰色（不同材质的工件，离子氮化后其表面颜色略有区别）。离子渗氮后工件表面不应有明显的电弧烧伤和剥落等缺陷，这些要求在正常情况下是完全可以达到的。不正常的渗氮表面有以下一些情况：

1、 表面电弧烧伤：主要是由于工件表面、工件上的小孔中或焊接件的空腔内及组合件的结合面上存在含油杂质，引起强烈弧光放电所致。

2、 表面剥落起皮：产生起皮的机理还不十分清楚，但在生产实践中，工件表面清理不净、脱碳或气氛中含氧量过多、氮化温度过高等有时会产生起皮。

3、 表面发蓝或呈紫蓝色：这是氧化造成的，如果氧化是在渗氮结束后停炉过程中产生的，则影响外观质量，对渗层硬度、深度无影响。如果氧化是在渗氮过程中产生的，则将不仅影响到产品外观，而且将直接影响到渗层硬度和深度。

表面发蓝的原因可能有：炉体系统漏气，气氛中含水或含氧量过多，工件各处的温度不均匀，温度过低的部位由于渗氮较弱呈蓝色；冷却时工件各部位冷速不一致，冷得慢的部位可能呈蓝色。

4、表面发黑：这对将渗氮作为最后一道工序的零件将影响外观，但一般不影响渗层硬度和深度。产生这种现象的原因可能是：炉体系统漏气，气氛中含水量及含氧量过高；温度过高；工件上的油污及氧化皮未去干净等。

五、 脉状氮化物