高效的等离子体化学热处理工艺优化方法

1.离子渗氮

当辉光放电的介质采用含氮气体时，即可进行离子渗氮。一般介质采用干燥的氨气或氮气与氢气的混合气体。

（1）离子渗氮的特点 与普通气体渗氮比较，离子渗氮具有如下优点：

1）渗层组织易于控制。可以通过对离子渗氮气氛组成、气压、流量、放电参数和温度、时间的调控，获得期望的组织结构。如易于得到高硬度、耐蚀的单相ε化合物层，高韧性的单相γ′化合物或无化合物渗层。由于其脆性低、变形小，又往往可不经磨削直接使用。

2）渗速高。等离子体不仅供氮能力强，而且使表面活化，产生加速吸收与扩散的缺陷，因而比普通气体渗氮快，特别是在渗层较浅情况下。如38CrMoAl钢要求渗层0.5mm，硬度高于900HV时，离子渗氮只需15h，气体渗氮则需50h。

3）节能、节气。因为离子渗氮的渗速快、周期短、能量利用率高，则必然比普通气体渗氮能耗低。如处理磨床主轴，5炉平均节电28%。离子渗氮的气压低于普通气体渗氮的1%，因而大量节约NH₃或N₂、H2等气体。

4）适用多种材料。离子渗氮不仅可用于含Cr、Al、V、Ti、Mo等低中碳结构钢、热作模具钢、高合金工具钢，而且由于气氛的高活性和去钝化效果还可处理球墨铸铁、不锈钢、耐热钢、钛合金等。

5）工艺温度范围宽（460～600℃），无污染与公害。

其缺点是：不同尺寸和重量的工件混载处理时，容易造成温度及渗入效果的不均，难以精确测控温度，设备复杂、一次性投资较大等。

（2）渗层组织结构与性能 离子渗氮与普通气体渗氮工艺在渗层组织结构、性能上没有本质的不同。差异仅在于构成组织的相成分和相对量、化合物层厚薄和致密程度及γ′相在扩散层中的分布等。比如，普通气体渗氮就可以得到ε+γ′复相化合物层，改善了零件耐磨、耐疲劳和抗蚀性。但因表面氮浓度高，工艺后期需降低氮势和退氮，往往最终得到粗晶多孔的化合物层，致密性差、脆性高。而离子渗氮却可以通过改变工艺参数、减少ε相含量得到γ′相为主或γ′单相化合物层。渗层表面氮含量低，分布平缓，与基体结合牢固，渗层致密，韧性高。

离子渗氮的化合物层中ε相和氮含量偏少，因而硬度略低。但离子渗氮可以调控化合物层γ′相比例和氮浓度，得到理想的硬度分布。例如，改变渗氮温度、气氛组成可以得到不同硬化效果：碳素结构钢和渗碳钢（w（C）=0.15%～0.6%）、灰铸铁，离子渗氮后化合物层薄，硬化效果不高，一般表面硬度为300～500HV；离子渗氮后的球墨铸铁硬化效果比常规工艺好，化合物层为5～15μm（总渗层为0.1～0.3mm）时表面硬度为540～580HV；铬钢（40Cr）渗层硬度较高，化合物层为4～8μm（总渗层为0.4mm）时表面硬度为500～700HV；轴承钢化合物层为1～4μm（总渗层为0.1mm）时表面硬度为600～800HV；CrMo钢化合物层为4～8μm（总渗层为0.2～0.5mm）时表面硬度为500～800HV；含Al和氮化物形成元素的钢种，硬度更高，分布也平缓；W18Cr4V钢只可得到0.02～0.10mm纯扩散层，表面硬度可达1100HV以上，而且直至600℃不下降；热加工工具钢应得到较薄（4～6μm）化合物层和0.2～0.3mm总渗层，硬度为650～850HV；耐热、耐蚀、耐酸钢一般需有0.1～0.15mm扩散层方可兼备耐磨与耐蚀性，其硬度900～1100HV。

离子渗氮可明显提高抵抗滑动摩擦性能。足够厚的单相γ′或ε化合物层，表面硬度高、氮浓度高，混合相层中ε比例大，都可降低摩擦因数和材料的咬合倾向，提高在高压应力下的粘附磨损抗力。45钢、40Cr钢离子渗氮得到不同化合物层组织，其耐磨性从好至坏排列为（ε+Fe₃C）→ε→γ′→（ε+γ′）。

普通渗氮工艺的缺点是渗层脆性较大。渗层脆性程度受钢种、化合物层相结构与成分、渗层厚度、硬度与分布、渗层是否致密、有无网状脉状组织等缺陷影响。较之普通气体渗氮工艺离子渗氮渗层致密，可调节渗层结构与成分，得到塑性韧性较好的渗层。

离子渗氮可明显地提高钢的疲劳强度。

ε相比γ′相、ε+γ′相化合物层化学稳定性高、耐蚀性好。在工艺上则应力求增加渗层中富氮的ε相，得到足够厚的单相ε化合物层。

（3）离子渗氮工艺 离子渗氮工艺参数决定了工艺效果，即渗层深度和组织、性能。渗氮气氛（成分、流量、气压）、放电参数主要影响化合物层的形成和特性，渗氮温度和时间还对扩散层深度、组织性能产生影响。

1）渗氮温度。渗氮温度主要影响渗入的速度，还决定了渗层深度、表面硬度、化合物层相结构、零件的变形等。离子渗氮不像普通工艺那样受到氨分解能力及调节分解率困难的限制，因而可以在更宽广的温度范围（400～590℃），综合材质、渗层深度、硬度、心部硬度、零件结构精度等具体因素选定工艺温度。

温度过高容易形成ε相，使扩散层增厚；含Cr、Al钢极易出现网状、脉状组织使渗层变脆；温度过高还使氮扩散速度加大，渗层浓度偏低，合金氮化物与基体共格破坏甚至聚集长大，将使硬度下降分布平缓；还会降低材料屈服强度，受渗前未消除的残留应力及渗后的表面压应力、热应力作用，使工件失去精度。

较低温度渗氮维持了心部强度、表面状态好、硬度高，对工模具尤其重要。温度低于450℃渗层极薄、含氮少、不易析出共格合金氮化物，硬度偏低。

一般将渗氮温度选在工具钢回火温度、结构钢调质回火温度以下30～50℃。

2）渗氮时间。含氮等离子体的极高活性迅速提供了大量与金属表面有极强反应能力的氮原子，致使在短时间（<30min）内就可使渗层达到要求的浓度和硬度，渗氮时间取决于对渗层深度的要求。

离子渗氮时化合物层与时间不遵循抛物线规律，短时间内增厚与时间的平方根近似成正比，但一般在4h以后增厚速度变得缓慢，甚至不增厚，而扩散层的增厚遵循抛物线规律。

离子渗氮短时间即可达到足够硬度，时间延长、渗层增厚，浓度及硬度基本不变，但硬度分布趋于平缓。时间过长组织粗化，或许硬度还略有下降。为此高速钢切削刀具一般只保温10～60min，得到硬度高、韧性好的纯扩散层。结构钢要得到0.3～0.4mm渗层时，渗氮时间<20h已经足够了。接触应力大的零件，可适当延长渗氮时间，不过因渗层增长缓慢，大于40h与普通气体渗氮则相差无几了。

3）渗氮气氛。离子渗氮时常用多种气氛，如直通NH₃、分解NH₃（体积分数75%H₂、25%N₂）和不同比例的N₂+H₂。钢在不同气氛中渗氮后表面氮浓度和化合物层相组成是不同的。

直通NH₃，尤其当分解率低时H₂比例小，许多钢都得到γ′+ε复相层，性能较脆。在炉内由于进气、出气口分解率和吸热不同，会引起温度、成分、电流、渗层分布不均。直通NH₃还难以调控氮势和渗层组织。只是使用较方便，工艺成本也低。用分解氨，氢分压高，利于γ′相形成，避免了直通氨引起的上述缺点。纯铁和45钢可得到高韧性单相γ′化合物层，其他钢以γ′为主复相层。用N₂+H₂便于调节气氛氮势，可取得良好的化合物层。大量的氢离子不仅冲击活化了钢表面，加速氮向内部扩散，还造成碳的溅射而贫碳，促进γ′相形核，甚至经溅射使ε相分解。

气氛对渗层深度也有影响。γ′、γ′+ε化合物层随气氛氮含量提高而增厚。气氛对有化合物渗层的扩散层则影响不大。高温长时间在高氮气氛中渗氮，化合物层ε相含量和厚度增长，反而减少扩散层厚度。无化合物层时，20Cr13、38CrMoAlA等将随气氛中氮的增加，扩散层明显增厚。

4）气氛压力与流量。气氛压力有一最佳值，温度升高，气体密度下降，气压最佳值升高。气压对化合层比对总渗层影响更大。低于最佳气压需更高电压维持温度，这时溅射效应大、化合物层薄，γ′相增多。气压过低还因辉光包围不全，造成工件温度不均。高于最佳气压，氮原子自由程短、大量结合成氮分子而降低了氮势，化合物层也薄，对扩散层深度几乎没有影响，只是这时在不同极间距处电流分布不均现象加重，辉光局部集中则温差大。

因气压上升使电压下降、电流加大，散热也随气压上升而加剧，功率明显增长，所以人们把气压作为调节放电特性的基本工艺参数之一。在使用不得不大幅度脉冲式变动气压的离子渗氮法时，必须同步精细地调节电压和电流大小。生产中往往固定流量，通过变更抽速以得到预期的气压。然而，形状复杂，带小孔、窄槽的零件，则应在更高气压下渗氮，才可使辉光完全覆盖住内表面，并不出现空心阴极效应。

气压与流量是相关的工艺参数。保温期控制流量不仅决定了气源消耗、炉压高低和稳定性，还决定了温度及渗层的均匀性。流量过低使供氮不足，硬化效果差，还会造成气压不均，电流、温度及渗层不匀。流量太大不仅浪费气体和电能，一定压力下必定加大流速，还易造成气体游离而出现弧光放电。流量过大、流速太高、气体迅速穿膛而过，孔、槽部位缺乏新鲜气体，甚至使渗氮无效。生产中一般都是合理过量供气，并且常用适当降低排气速率、提高气压或同时减小流量与抽速的方法控制流速。

5）放电参数。单一放电热源的离子渗氮炉维持一般钢的渗氮温度，500～600℃，约需放电功率密度为0.5～5W/cm²。实验证明，升高电压、加大电流都加速了渗氮过程。

提高电压可以提高正离子的能量，其加速渗氮的效果高于提高电流密度。由于等离子体放电的特殊性，气压、电压和电流密度存在着交互作用。气压不变，升高异常放电电压将引起电流同步增长，在较低气压下，加速了升温，加强了溅射清洗过程。高电压下的溅射还使ε分解、ε相形核率减少及化合物层中ε比例下降，甚至形成脱碳的效果，使化合物层成为单相γ′或形成纯扩散层。不过，放电电压太高，会使工件局部电流过大而过热烧损。所以，电压一般都是控制在500～750V。

放电电流增长使升温速度加快、保温温度升高，化合物层明显增厚。保温阶段的放电电流仅约为升温阶段的1/2～1/4。电流受气压影响很大，保持气压恒定，气流平缓、均匀，是维持稳定电流和良好渗入效果的必要条件。电流密度分布均匀与否对工件温度及渗层的均匀性作用极大，受装炉状况，即阴极（工件）与阳极间距是否均匀、适当，工件形状及有无辅助电极的影响。放电电流密度一般为0.5～20mA/cm²，多在0.5～5mA/cm²范围选择。有完善隔热屏蔽者电流密度可以小于2mA/cm²，有辅助加热系统时甚至可选0.01～0.1mA/cm²。

（4）离子渗氮的应用 离子渗氮的特性使之不仅在机床、工具、交通及动力机械中，在轻工、医疗、军事领域获得了广泛应用，而且一些无法使用常规渗氮的材料、零件，如不锈耐酸钢、耐热钢、钛及钛合金、深孔件、需低温处理件等，也取得了良好的应用效果。在各种曲轴、缸套、铝合金压铸模、挤压模、各种成型刀具等方面，取得了显著的技术、经济、社会效益。

1）合金钢结构件。中、低碳合金结构钢可以采用离子渗氮。如40Cr、35CrMo、42CrMo等用于某些受磨损和中等以下交变动载荷的零件，常在体积分数10%～20%的N₂+H气氛中，在510～530℃的温度下，进行时长>20h的离子渗氮，得可到以γ′相为主化合物层，总渗层为0.4～0.5mm，表面硬度可高达550～850HV，分布也平缓，耐磨损、疲劳强度可提高25%～60%。

含Al的渗氮钢，如38CrMoAlA等，更适用于在一定温度下承受冲击不大交变动载荷的某些耐磨、耐蚀、表面光洁的精密件，如有代表性的挤塑机织杆与套筒、机床主轴、镗杆、丝杠、柴油机缸套等。它们可在N₂/H₂=2/8（体积比）的气氛或分解氨中，在520～560℃温度下，进行时长>15h的离子渗氮，渗层要求深者可用两段式（时长达35h）离子渗氮。渗层表面硬度为700～1100HV0.1，深度为0.3～0.6mm，硬度分布平缓，脆性低，变形小。

含Ti的结构钢。Ti可与C和N形成稳定化合物。弥散分布的TiC可与渗入的N作用直接转变为TiN，无需Ti原子置换扩散或预先聚集起高浓度。这类钢短时可得较厚、较高硬度的渗层。即使在高温下，弥散的Ti化合物质点也极稳定，维持了渗层和基体的高强度。

2）高速钢刀具离子渗氮。由于离子渗氮比气体渗氮得到的渗层脆性低，又可以进一步提高硬度、耐磨性和热硬性，因而较某些刀具的工作效率更高，使用寿命更长。为获得优异的使用性能，用离子渗氮处理高速钢刀具应尽可能降低渗前的淬火温度，如低于正常淬火温度20～30℃，韧性要求高者低50℃，以得到细小晶粒。应在低氮势、低气压下，进行低温（480～500℃）、短时（10～40min）连续渗氮，以抑制ε相出现及化合物层形成，尽力得到硬度高、分布平缓、厚度≤30μm的纯扩散层。可进行离子渗氮处理的W18Cr4V、M42工具钢等，经离子渗氮处理后寿命提高2～3倍。

3）合金钢模具离子渗氮。合金钢模具按用途分为热作模具和冷作模具。离子渗氮渗层的低脆性也适用于模具，特别是热作模具，如塑料模、铝合金压铸模、挤压模等。这方面已有成熟的经验，有希望得到带6～10μm化合物层的0.2～0.3mm渗层。可得到既具有耐磨、抗冲击、耐热疲劳、较高的高温强度，又具有良好的抗液态金属浸蚀和粘附作用的渗层。

粉末冶金成形模和多种冷冲模具经离子渗氮后也都有良好应用效果。形状复杂的冷作模具，往往工作在受挤压、弯曲、剪切、冲击、摩擦多种因素综合作用下。直接成形时还要求较高的形状、尺寸精度和较低的表面粗糙度。若采用低氮势（体积分数10%～30%N₂）的N₂+H₂气氛，低温（<530℃）离子渗氮，可以在维持高心部强度的基础上，有效地避免出现脆性的化合物层和脉状、网状组织，得到高的强韧性、耐磨性。

3Cr2W8、5CrMnMo、5CrNiMo、Cr12MoV、3Cr2W3V、H13等，经离子渗氮处理后寿命可提高2～3倍，有的可提高10倍左右。

4）铸铁结构件的离子渗氮。离子渗氮处理球墨铸铁、合金铸铁，特别是含Si、Mo、Al者比灰铸铁更好。它可以提高铸铁的硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度，因而多用于曲轴、缸套、活塞环等结构件，寿命可提高2倍以上。

5）不锈耐酸钢结构件离子渗氮。离子溅射去钝化和H₂还原作用，以及高渗入速率，使离子渗氮适用于不锈耐酸钢结构件，如注塑成型机的螺旋送料杆、柴油机气阀等。不锈钢结构件经离子渗氮后，耐磨性、疲劳强度明显提高，一些紧固件抗咬合性得到改善。但因渗氮时表面生成Cr的化合物，使基体中铬减少，耐蚀性下降，但滑动面的耐磨性、抗咬合、抗焊合性提高了。可进行离子渗氮处理的不锈钢有Cr17，Cr25，20Cr13，30Cr13，40Cr13，1Cr18Ni9Ti等，可使用寿命成倍提高。

6）钛及钛合金结构件离子渗氮。钛及钛合金也可通过离子渗氮大幅度提高硬度和耐磨、耐蚀性。经离子渗氮的结构件，如钛人工骨、骨关节、钛耐蚀阀板、精密机件效果较好。钛合金经离子渗氮后表面形成TiN硬度超过800HV。

2.离子氮碳共渗

同气体软氮化一样，可以通过离子氮碳共渗达到提高表面硬度的目的，通过离子氮碳共渗在金属表面形成以ε相为主、致密无疏松的渗层。它适用于各种合金钢、碳素钢、铸铁等。

离子氮碳共渗通常在离子渗氮炉中进行。不过，需要增加引入渗碳气体的装置，在通入渗氮气体（如氨气等）的同时，再通入渗碳气体（如酒精、丙酮、丙烷等）就可以实现离子氮碳共渗处理了。渗剂可直接利用真空负压吸入，也可用热浴加热以提高汽化量。为了控制其流量并保证气源中的碳氮比恒定，管路中应设置流量计和调节流量的装置。

离子氮碳共渗工艺操作基本上和离子渗氮相同。所不同的是，在保温阶段引入含碳气体。含碳气体不宜加得过早，特别是不允许在低温阶段加入，以防在阴极上形成炭黑引起打弧。

要考虑的几个工艺参数如下：(www.xing528.com)

1）碳氮比。碳氮比通常控制在1∶9～2∶8。气氛中碳势太高会形成炭黑，对操作和渗速很不利。

2）温度。在确定温度参数时应综合考虑其效果，普通钢种合适共渗温度为570～580℃，化合物层和扩散层厚度均较厚，比较有利。要求硬度更高、渗层较薄时应在540～560℃温度下共渗，高精度、高硬度的工具钢，只能在回火温度以下，即低于540～560℃共渗。高于570℃处理，化合物层继续增厚，但出现疏松和硬度下降现象。保温时间短，疏松不明显。处理后快冷会出现含氮奥氏体向含氮马氏体转变，使硬化层大大增厚，从而提高渗层性能。

3）时间。保温时间对化合物层与扩散层厚度的影响，符合一般软氮化规律。离子氮碳共渗处理温度通常为550～650℃，保温时间为15～180min。从获得厚的化合物层、疏松不严重以及硬度不降低考虑，离子氮碳共渗以在620～650℃处理15～30min后快冷为宜。

普通钢氮碳共渗需3～4h，工具钢共渗需2～3h，高速钢刃具则小于1h。铸铁中的碳和硅阻碍氮的扩散，渗层较钢浅。高镍铬奥氏体耐热、不锈钢等渗速也低，则可取3～5h或更长些。

几种常用钢材在570℃离子氮碳共渗处理90min后的效果见表11-1。采用氨气与酒精时的比例一般为（1～5）∶10。阴阳极电压为500～650V，炉压为2×10²～1×10³Pa，电流密度为2～5mA/cm²。

表11-1 几种材料离子氮碳共渗后的效果

3.离子渗碳及离子碳氮共渗

同气体渗碳及碳氮共渗技术一样，也可以利用辉光放电对低碳钢、低碳合金钢等进行等离子体渗碳和碳氮共渗。一般采用碳氢化合物的气体进行等离子体渗碳，加入氨气或氮气进行等离子体碳氮共渗。与离子渗氮不同的是等离子体渗碳或碳氮共渗的温度区间在800～900℃，也有略高于此温度的，碳氮共渗的温度一般较低。常用的等离子体渗氮设备由于辉光放电的功率密度小或保温状况差等满足不了高温的要求，因此常采用增加辅助热源或在真空室内安装隔热屏等方法提高炉内温度。在等离子体渗碳或碳氮共渗之后，一般采用淬火工艺，因此等离子体渗碳设备设计成加热室和淬火室分开的双真空室。

在等离子体渗碳或碳氮共渗时，工件经简单的去油处理后送入加热室，关闭炉门抽真空至6.65～13.3Pa，启动电阻加热升温至900℃，使工件表面脱气净化。再通少量氢气溅射清洗均温一段时间，然后按工艺选定的流量通入渗碳（或碳氮共渗）气体，并使炉压保持在一定范围内，接通辉光电源产生辉光放电，开始进行等离子渗碳。当渗碳到达预定时间后，停止供给渗碳气体并熄灭辉光，进行真空扩散，然后炉内降温并淬火。

渗入结果取决于处理温度、持续时间、气氛碳（氮）浓度及被处理件的材质等因素。等离子渗碳或碳氮共渗，不需要预先制备气氛，也无需碳势测控装置。它是通过对工艺参数的简单选控进行渗层控制的，只要固定处理温度、混合气总压力及放电电流密度，调整放电渗碳时间和扩散时间以及渗扩比例、工作气体的流量（工作气体配比预先选定），就可以控制渗层表面碳浓度及渗层深度。

等离子渗碳或碳氮共渗一般采取渗碳加扩散的工艺来保证工件表面的合理浓度分布。等离子渗碳或碳氮共渗工艺，包括一次渗碳-扩渗、多次渗碳-扩渗、短时脉冲扩渗等几种类型，根据工件要求可适当选取。

采用等离子体渗碳或碳氮共渗比常规方法缩短一倍左右的时间，可以提高工作效率，降低能耗，减少环境污染。但由于采用的是真空处理，所以一般为周期式作业。

等离子体渗碳和碳氮共渗在工业上主要应用于齿轮、轴等表面强化的工件。

4.离子渗硫及含硫多元共渗

离子渗硫和含硫多元共渗技术被广泛用于各种机械零件、工模具，特别是一些在难以使用润滑剂场合下工作的结构件。钢铁表面的渗硫层，可以降低摩擦因数，减少一般摩擦件的磨损，提高抗咬合性，减小温升，消除冷冲模具的粘着现象，延长使用寿命。即使经过表面强化的工件，再复合以低温离子渗硫，也可以进一步提高使用性能，如渗硼后、渗氮后、渗氮碳后都可进行离子渗硫或含硫的低温离子共渗。

在离子渗氮设备上引入含硫气体或含硫有机化合物蒸气，就可以实现低温渗硫；在渗氮设备上增加硫化氢发生器和净化装置就可以实现离子硫氮共渗，再增加含碳的气体，就可以实现硫碳氮共渗；在离子渗氮气氛中加入适量含氧和含硫气体（如SO₂），或在硫氮共渗气氛中加入适量氧，即可实现离子氧硫氮共渗。它比常规的气体共渗渗速高、温度低、节能，省气，污染也小。

各种工艺的比较见表11-2。

表11-2 离子渗硫及离子含硫多元共渗工艺比较

5.离子渗硼

渗硼是有效地提高结构件、工模具抗粘着磨损和磨粒磨损性能的强化手段。离子渗硼与普通渗硼相比，可以较大幅度地降低工艺温度（碳素钢、低合金钢甚至低到600～700℃），缩短工艺时间。即使与高效电解渗硼相比，它也具有表面不受污染、渗后无需清洗、不用坩埚、操作方便等特点。此外，通过调节离子渗硼工艺参数，还可以对渗层结构进行控制，提供了降低渗层脆性的途径。尽管这种工艺有一定吸引力，但所用的供硼气体制取工艺复杂，又往往因价格高、有毒、易爆等使其应用受到限制。

离子渗硼的方法有两种，一是气体离子渗硼，另一种是膏剂渗硼。

（1）气体离子渗硼 气体渗硼采用含硼的气体或有机化合物，如BCl₃、BBr₃、B₂H₆、（CH₃）₃B等，常用的是BCl₃（三氯化硼）、B₂H₆（乙硼烷）。这些介质都具有有毒、易爆和腐蚀性能，必须采取必要的措施，如采用氩气稀释等。

离子渗硼的效率很高，可以在600～700℃下进行2～10h的渗硼处理，得到所需要的渗层厚度，对于厚度要求深的可以提高渗硼温度。

（2）膏剂离子渗硼 膏剂离子渗硼可以采用污染小、危害少的介质进行，如硼砂（Na₂B₄O₇）、非晶质硼和碳化硼等，将其调成膏剂涂抹于工件表面，然后在氢气或氢气介质中进行离子渗硼处理。在离子轰击加热下，膏剂转变为液体附着在工件表面，硼离子从膏剂中分解出来与固体表面反应并向固体内部扩散。渗硼温度选择600～900℃，时间为3～4h。

6.离子渗金属

离子渗金属是在900～1100℃较高温度下，在低真空环境下采用辉光放电等方法对材料表面进行金属元素渗入的技术。等离子体渗金属不仅克服了常规渗金属的渗速慢、质量不稳定、重复性差、金属元素损耗大、对环境可能造成污染、劳动条件差等缺点，而且可以实现单一渗、复合渗或大范围变化成分的表面合金化。

根据活性金属元素的获得的方式不同可以把离子渗金属分为双层辉光离子渗金属、阴极电弧源离子渗金属、膏剂法离子渗金属等。

等离子体渗金属可以应用于要求表面耐磨的各种机械零件、一次性不用磨刀具、模具或工具的表面处理、表面耐蚀零件、阀门、管道及其他化工设备的表面处理、表面贵重金属深层处理、表面功能金属深层制备等。

（1）双层辉光离子渗金属 双层辉光离子渗金属，是由徐州重型机械有限公司在20世纪80年代提出的表面合金化方法。这种工艺的特点是，采用的金属源为固体，避免了有害气体对设备的污染与腐蚀，而且渗剂材料利用率高，比普通渗金属法渗速更快。渗层与基体结合牢固，因而受到国内外的普遍重视，并取得多国专利。利用这种工艺不仅已经可以对碳钢分别渗入W、Mo、Ta、Ti、Cr、Ni、Al等，而且还实现了上述各元素的二元或多元共渗。在碳素钢表面获得相当于合金钢成分的合金化表层，实现不同目的的表面改性。

1）工艺原理。双层辉光离子渗金属装置结构原理如图11-14所示。把带隔热屏的炉室作为阳极，接在两个可控直流电源（0～1000V）的正极上。以装于夹具上的工件作为阴极和欲渗金属材料为源极，分别连接在电源负极上。采用0～70V的辅助加热源为工件加热。被抽空的炉室通入工业纯Ar，压力维持在20～60Pa，接通独立调节的高压直流电源后，在阴极和源极上，分别产生辉光放电，即产生双层辉光，被电离的Ar⁺在电场作用下动能增大，与源极碰撞使之升温，同时溅射出足够量的金属粒子并使部分电离；在Ar⁺轰击阴极时除进一步将其加热至约1000℃外，还使阴极表面产生大量空穴等晶体缺陷。来自源极沉积在阴极表面上的金属粒子，形成极高的浓度和浓度梯度，又在高温及晶体缺陷作用下，迅速向内部扩散形成渗金属层。

图11-14 双层辉光离子渗金属装置简图

1—加热器 2—源极 3—阴极 4、5—直流电源

双层辉光离子渗金属过程中，当极间距离为15～30mm时，负电位不同的源极、阴极上的辉光重叠。产生空心阴极效应，可使Ar和金属粒子进一步电离，放电电流增大，温度升高，因而强化了放电和渗金属过程，这就是不等电位空心阴极放电效应。

2）双层辉光离子渗金属工艺。双层辉光离子渗金属重要工艺参数是处理温度、时间、工作气压、源极与阴极之间的距离、源极电压、阴极电压、源极成分和钢的表面碳含量等。一般情况下，温度越高，扩散速度越快，温度越低，越容易引起渗入元素的在表面堆积，因此温度在1000℃左右为宜；工作气压低，溅射效率低，渗入速度低，但气压过高，分子自由程变小，碰撞次数增加，表面溅射增加，渗入速度也降低，因此工作气压有一最优值；源极与阴极之间的距离与空心阴极的形成有关，为维持空心阴极的效果，一般取较近的距离，即小于30mm。源极电压的提高，使溅射能力提高，提供的金属离子增多，而阴极电压提高，使表面溅射增加，也使扩散速度增加；源极成分决定了渗入金属的成分，但由于存在选择溅射和各元素溅射率的不同，将使渗层中的成分配比与源极有所差别，工件内部各元素的扩散速度的差别和元素之间的相互影响也将对表面成分产生影响。

（2）冷阴极电弧源离子渗金属 冷阴极电弧源离子渗金属装置如图11-15所示，是采用安装在器壁上真空阴极弧源（也称多弧源）产生活性金属粒子，在工件上加电压，使之产生弧光放电，将活性金属粒子渗入工件表面。如前所述，利用场致发射产生弧光放电，并实现冷阴极自持弧光放电，连续形成的微弧在冷阴极表面快速移动，将产生大量的金属粒子，同时电离出大量的金属离子。将欲处理的工件放置在真空室内，并作为阴极，使之可以产生辉光放电。围绕工件周围形成阴极位降区，在此阴极位降区内，大量的正离子被加速轰击阴极表面，使其温度升高，达到渗入温度，并在工件表面形成大量晶体缺陷，等离子体中的金属离子或原子同时在表面沉积并渗入，从而形成金属渗层。

图11-15 冷阴极电弧源离子渗金属设备简图

1—辉光放电电源 2—冷阴极弧引弧电源 3—冷阴极弧金属源 4—直流弧电源 5—工件

因为冷阴极弧源在工作时不形成金属熔池，因此可以在器壁的不同位置放置多个，这样可以使渗入的效率大幅度提高。如果同时采用不同材料制成的弧源，则可以实现多种元素同时渗入。

多弧离子渗金属不仅具有加热速度快、渗入效率高、渗层均匀、工艺简单等特点，而且在设备方面也简化了工件卡具结构及运动方式，除形状复杂的零件外，无需增设辅助热源。

（3）其他离子渗金属方法

1）采用磁控溅射或电子枪蒸发金属源。磁控溅射可以获得较多的金属粒子，经电离后成为金属离子。金属离子在磁场中运动被加速，从而获得更大的动能，有利于它在工件表面向内扩散形成渗层。在磁场中离子运动轨迹增长，增加了离子碰撞其他金属原子的机会，从而提高离化率。利用多靶磁控溅射即可进行多元共渗处理。

2）膏剂法离子渗金属。将渗剂和添加物质调成膏状，涂于欲渗工件表面1mm厚。经烘干或阴干的试件彼此间以及与辅助极间相隔15～20mm均匀摆放在普通等离子热处理炉的阴极盘上，利用空心阴极放电效应，使试件升温至850～1050℃。膏剂内部迅速反应而活化，活性金属原子又被离子化并与同时活化了的试件表面接触，被吸收后形成渗层。