标题：离子化学热处理
离子渗氮
离子渗氮是目前工业上应用最广、最成熟的离子热处理工艺，其最大特点是：①渗层组织和相组成可以控制，通过调整工艺参数，可获得纯扩散层、单相化合物层等；②渗速较快，渗层脆性小、质量好；③可进行低温（400～500℃）离子渗氮，以及对奥氏体不锈钢无需预处理便可进行离子渗氮。目前，离于渗氮的技术关键是如何根据其特点，结合工件服役条件，合理选取工艺参数。（温度、电压、炉压、时间及工作气体），获得所需的最佳渗层，以期充分提高离子渗氮效能与成本之比。例如，精密零件，要求尺寸变形小，表面硬度高，同时要求耐磨、耐蚀的奥氏体不锈钢，则宜选低温离子渗氮。 
目前该工艺的进展，主要是扩大应用范围，如工具、模具，钛合金和铝合金以及不锈钢的离子渗氮工艺的开发。 
奥氏体不锈钢离子渗氮，可有效地提高其耐磨性能，但耐蚀性却下降。自80年代中期以来，不锈钢离子渗氮有了重大进展。奥氏体不锈钢离子渗氮，可获得不同的相组成。温度超过500℃，可形成由γ&acute;、ε、CrN、γ和α相组成的复合渗层，硬度高（1400HV），层厚大于200μm，从而明显改善其耐磨、抗胶合性能，但由于渗层中有Cr的氮化物析出，导致基体中Cr的减少，使其耐蚀性变坏。试验发现，奥氏体不锈钢的渗层硬度、耐磨性和抗腐蚀性能随渗氮温度降低而增高。不同温度离子渗氮后的阳极极化曲线（NaCI的质量分数为3%），如图1所示，经500℃×10h渗氮，即能提高腐蚀电位，而450℃渗氛时，Cr的氮化物析出被抑制，而形成含有无特征的“S-相”单相层，比未处理的不锈钢有更宽的纯化电位，具有优良的耐腐蚀性能，而且硬度高（约1600HV），可获得同时改善耐磨和耐蚀的渗氮层，该工艺已在欧洲获得了工业应用。
离子N-C共渗
离子N-C共渗是从盐浴和气体N-C共渗发展起来的，其操作方法与离子渗氮基本相同，但工作气体成分不同，且冷却方式除在真空条件下缓慢冷却外，还可进行油淬或高压气淬。 
工艺参数为温度560～600℃，时间1～4h。工作介质可用NH3+C3H3、 NH3+CH4、 NH3+C3H5OH（酒精）和NH3+CH3OHCOOH3；（丙酮）等。 
离子N-C共渗时间短，效益高，可获得以ε单相或ε相为主的具有优良耐磨、抗胶合的化合物层，除适用于合金结构钢外，特别适宜于碳素钢和球墨铸铁及合金铸铁制件的处理。 
离子N-C共渗的技术关键是化合物层中的ε相和Fe3C的控制。当化合物层中出现少量Fe3C时，化合物层最厚，耐磨性高，韧性好。但形成一定数量的Fe3C时，化合物层厚度明显下降，脆性增加，因此，应力求获得单一ε租或ε相为主的化合物层。 
化合物层厚度和相组成的控制，主要通过调整工作气体成分和温度来实现。例如。碳素钢和合金钢在不同 C3H8含量的NH3+C3H8混合气中进行570℃×10h的离子N-C共渗后，化合物层相组成和层厚与C3H8含量的关系如图1所示。 
由图可知：①化合物展中ε相体积分数Vε均随C3H8增加而增加，当C3H8增加到某一临界量时，出现Fe3C，此时Vε达到最大使；若C3H8继续增加，Vε则逐渐下降。②化合物层中γ&acute;相体积分数Vγ&acute;随C3H8增加而减少，渗碳体Fe3C体积分数VC总是随C3H8增加而增加（当Fe3C形成之后）。③化合物层厚度δ化的变化与Vε一致，扩散层深度δ扩基本不变，但随材料含碳量和合金元素含量增加而减小；化合物层中出现Fe3C后，渗层厚度则随C3H8增加而减小。
离子渗碳
我国对离子渗碳工艺进行了大量的试验研究，但尚未实现生产应用。80年代末，德、法已将离子渗碳开始用于生产，目前，已成功地用于汽车工业，取得了良好效果。 
主要工艺参数：温度850～980℃，总时间（渗碳+扩散）2～8h，冷却方式为直接油淬或高压气淬。渗碳介质用碳氢化合物（如CH4、C3H8等）、N2、H2或Ar。 
离子渗碳的技术关键是渗层质量控制及设备设计。离子渗碳时，可通过调节碳通量和渗碳时间来控制工件表面的预定碳含量，而碳通量（j）是气体成分、气压、气体流量、离子电流密度（i）和渗碳温度的函数。在实际操作中，气体种类、气压和温度易保持恒定，气体流量也总用最小值，这样，碳通量就仅仅取决于电流密度，即j=f（i）。离子渗碳时，电流密度既可精确测定，又能非常可靠地控制。目前，德国已研制、生产了离子渗碳、渗氮专用的离子电流密度传感器，使离子渗碳的控制简单、精确和重视性好。在工业生产中，离子渗碳时可利用碳的扩散和传输的数学模型，采用电流密度传感器，由微机进行全过程的工艺控制，从而获得预定的表面碳含量、碳分布和渗层深度。表1为不同渗碳工艺的碳通量。 
离子热处理设备
离子热处理设备由离子发生器（电源）、真空炉体、测温测压装置、供气排气系统及其他配套部件组成，关键部分为电源和真空炉体。 
（1）电源 生产中应用的电源主要有两种：直流电源和脉冲电源。 
直流电源提供的电压、电流是近似平直或带有波动的直流电。主要技术指标：电压0～1000V连续可调。频率50Hz，灭弧装置为限流电阻或电子开关。直流电源结构简单，价格便宜，维修方便，使用寿命长，功率大。但灭弧可靠性不理想，处理温度与电压、电流、气压不能分开，工艺参数不能独立调节，尤其当功率密度较小时（<0.2W/cm2），不能保证渗层均匀，故直流电源的使用受到一定限制，为了克服上述缺点，开发了脉冲电源。 
脉冲电源提供的电压、电流是具有一定周期的近似方波的脉冲。80年代，德、法、俄、美、英等国相继开展脉冲电源的研究和应用。目前，德、法已有系列产品，电压1000V，功率从50～300kW，频率800～1000Hz，最高可达10kHz（功率40kW以下）。80年代末，我国开始脉冲电源的研究与应用。铁道部科学研究院先后研制成晶闸管斩波脉冲电源（1990年），GTO斩波脉冲电源（1992年），和高频脉冲电源（1997年），三种脉冲电源工作时，都是频率(周期)T固定，而脉冲宽度t可调。α=t/T称为导通比。目前，已有系列产品，在生产中应用效果良好。主要技术指标见表1。 
脉冲电源的主要优点是：①灭弧速度快（10～60μs），能有效地抑制空心阴极效应。对有小孔、沟槽的复杂工件和小模数齿轮可进行更有效的处理；②能独立调节工艺参数，增加工艺可调性，扩大应用范围，尤其适宜于离子N-C共渗和离子渗碳；③与直流电源相比，可节约电源30%左右。 
（2）真空炉体 目前，国内外在工业生产中应用的炉体主要有四种类型：①水冷双层炉壁的真空容器，其形状有钟罩式和井式。国内产品的主要规格为：功率25～500kW，真空炉膛直径700～1700mm，高800～4000mm。该种炉体结构简单，可用组合件，易于改变炉体高度，可制造大型炉子，价格便宜，维修少，使用寿命长，但能耗大，炉内工件温度均匀性不易控制，对形状复杂，且要求渗层均匀、变形小的工件，难于进行有效处理。②带有对流或热辐射辅助加热装置的热炉壁真空炉体，其结构如图1所示。使用这种炉子，处理的工件温度均匀，工艺较易调整，工件升温、冷却快。对不同形状和壁厚的零件可进行有效处理。该种炉子适宜进行离子N-C共渗、离子多元共渗等。但结构较复杂，造价高，工艺成本较高，增加了维修量，难制造大型炉子。③带高压气淬装置的离子渗碳炉，如图2所示、④带整体油淬装置的离子渗碳炉，见图3。这后两种炉子，都是在真空渗碳炉的基础上，加装高额脉冲电源，由微机控制工艺过程。德国Ipsen公司，为了保证每炉处理的产品质量稳定，重视性好，渗碳时有高的碳传输量，采用离子电流密度传感器来控制离子渗碳工艺过程。它对工件表面碳含量、碳分布和渗层深度的控制，与现代气体渗碳（微机碳势控制）一样精确、可靠。
离子化学热处理技术的现状

    1．离子化学热处理的机理与组织性能研究     离子化学热处理是在低温等离子体中进行的，存在各种高能离子、高能电子以及高能中性原子等粒子，因而决定了离子化学热处理反应的复杂性。关于离子化学热处理的机理，目前公认观点大致有以下几种：     (1)溅射与沉积理论这是1965年J.Kölbel在研究和完善B.Berghous的离子轰击模型的基础上提出来的，他认为：离子渗氮时，渗氮层是通过阴极溅射反应而形成的。     (2)分子离子理论  1973年，M.Hudis根据4340钢在溅射很弱的情况下，仍然可以得到显著的硬化效果这一事实得出：在离子渗氮时，虽然溅射很明显，但这不是主要的控制因素，对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化的结果，并认为氮离子也能渗氮。     (3)中性氮原子模型  1974年，G.Tibbetts在N2-H2混合气离子渗氮时，于试样外加一网状栅极，以滤掉轰向试样的正离子，只让不带电荷的中性粒子到达试样。试验表明，有、无栅极的状况下，渗氮效果相同。因此，G.Tibbetts认为，对离子渗氮起作用的实质上是中性氮原子，NH2+离子的作用是次要的。     (4)活性氮原子碰撞离析理论这是我国学者在20世纪80年代提出的，他们认为，活性氮原子在离子渗氮过程中起决定作用。     从上述几种离子化学热处理机理不难看出，各种结论都是在相对独立的条件下得到的，过于强调某一种粒子的作用，弱化了其他粒子的贡献。离子渗氮显然不同于气体渗氮，等离子场组成复杂，各种粒子交互作用，共同完成了离子渗氮过程。在一般状况下(而不是某种特定的试验条件)，哪一种粒子的贡献更大，仍然是值得深入研究的。     对离子化学热处理后所获得的各种渗层组织与性能的研究，我国的科技工作者一直没有停止这方面的工作。由于处理过程在低压无氧化的气氛中进行，较之于常规化学热处理，其渗层质量更好，综合力学性能更高，特别是离子渗氮层组织结构可控的特点，在实际生产中得到广泛应用。如通过调整炉气成分可获得耐蚀性较好的单一ε相结构或韧性较高的单一γ′相结构的化合物层；为减小高速钢渗氮处理后脆性增加的问题，可改变工艺参数，以获得无化合物层的渗层结构等。近几年，许多单位又在复合处理方面下了较大功夫，尤其是对离子渗硫(及其复合处理)层的组织和性能进行了大量研究，使得该项技术得以长期发展。