離子滲氮重要的特點(diǎn)之一是可以通過控制滲氮?dú)夥盏慕M成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制表面化合物層(俗稱白亮層)的結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散層組織，從而滿足零件的服役條件和對性能的要求。

　　離子滲氮化合物層常遇到的氮化物相有兩種：γ，-Fe4N相和ε-Fe2-3N相，離子氮碳共滲(俗稱軟氮化)還可能出現(xiàn)Fe3C相。γ，單相具有*小的脆性，但耐磨性較差，ε單相脆性也較小，并有較好的耐磨性和抗磨合性能。合金結(jié)構(gòu)鋼離子滲氮時一般均得到雙相(γ，+ε或ε+γ，)組織，脆性較單相大些，耐磨性較好;離子氮碳共滲得到ε+Fe3C(少量)組織，脆性并不增加，而有**的耐磨性。

　　一、影響化合物層中ε和γ，相含量的因素

　　影響離子滲氮化合物層結(jié)構(gòu)的因素很多，有滲氮?dú)夥盏挠绊懀摬某煞趾徒M織方面的影響，還有滲氮溫度、時間、氣壓等工藝方面的影響因素。

　　(一)滲氮?dú)夥盏挠绊?/p>

　　離子滲氮?dú)夥罩械吞嫉暮渴怯绊懟衔飳酉嘟Y(jié)構(gòu)的重要因素。

　　1)氣氛含氮量對化合物層相結(jié)構(gòu)的影響

　　隨著氣氛含氮量增加，化合物層中ε相含量增多，白亮層也隨之增厚。如40Cr鋼用氨氣滲氮時，ε相含量相當(dāng)多，改用分解氨后則大大減少。

　　2)氣氛中添加含碳?xì)怏w將γ，形成，而得到以ε相為主或ε單相結(jié)構(gòu)的化合物層。

　　如氣氛中加入丙烷(C3H8)后，化合物層中ε含量迅速增多，基本由ε單相組成。含碳量再增多則化合物層中開始出現(xiàn)Fe3C，含碳量繼續(xù)增多，則Fe3C增多，ε減少直到完全消失

　　離子滲氮需要嚴(yán)格控制氣氛中含碳量，使之能得到ε單相或ε+少量Fe3C的雙相組織。這樣的組織其硬度和耐磨性均比單純離子氮化有較大提高。如45鋼在含80%N2的氮?dú)錃夥罩?70℃滲氮3小時，表面硬度只有575-603HV0.5，加入丙烷氣后，當(dāng)含碳量達(dá)到臨界值(不出現(xiàn)Fe3C的**含碳量)時，ε相化合物層的硬度達(dá)730-781 HV0.5。

　　(二)鋼材成分和組織的影響

　　隨著鋼中含碳量及合金元素增加，氮化層中ε相也隨之增多。

　　基體組織硬度較高者，滲氮層表面硬度也較高，而且化合物層較厚，其中ε相也較多。

　　一般來說，調(diào)質(zhì)組織滲氮化合物層中的ε相含量比正火組織少。

　　(三)滲氮保溫時間的影響

　　40Cr鋼化合物層厚度在滲氮初期增長較快，保溫2-4小時后變化不大。而38CrMoAl鋼化合物層厚度則隨時間延長而增厚，保溫24小時后，這種趨勢仍然保持著。

　　一般合金結(jié)構(gòu)鋼在用分解氨滲氮時，隨保溫時間延長，ε相減少，γ，相增多，長時間保溫后，化合物層基本由γ，相組成。

　　(四)滲氮溫度的影響

　　40Cr鋼滲氮時，從500℃升到達(dá)560℃，化合物層中ε和γ，均增加，當(dāng)升到580-600℃時，ε相突然減少，γ，相數(shù)量猛增，當(dāng)溫度升到620℃，γ，相數(shù)量急劇減少，升到650℃以上則化合物層分解。

　　(五)氣壓的影響

　　離子滲氮化合物層的厚度在某一*佳氣壓下出現(xiàn)**值，氮化物ε相的含量和氣壓也有類似的關(guān)系。如40Cr鋼在530℃滲氮，氣壓為400Pa時，化合物層中ε相含量*多，而在570℃滲氮，這一氣壓值為530Pa。

　　二、獲得各種化合物層組織的工藝方法

　　(一)γ，單相化合物層的獲得

　　γ，相在室溫時它的含氮量為5.7-6.1%，相區(qū)狹窄，所以γ，單相化合物層比較薄，通常認(rèn)為可達(dá)8um。碳在γ，相中的溶解度不大，室溫時**溶碳能力為0.2%。由此可見，獲得γ，相的條件是滲氮表面貧碳和氮含量偏低。所以降低氣氛氮勢，強(qiáng)化脫碳過程將有利于γ，的獲得。

　　用以下方法之一，可以獲得γ，單相化合物層：

　　(1)降低氣氛的含碳量

　　用含氮25%的氮?dú)浠旌蠚饣蛘邿岱纸獍辈蝗菀椎玫溅茫瑔蜗嗷衔飳?，不論?8CrMoAl還是40Cr鋼，甚至碳鋼都程度不同地含有ε相，若進(jìn)一步降低氣氛含氮量到10%時，上述幾種鋼材都能得到γ，單相化合物層。

　　(2)降低爐氣壓力

　　低氣壓、高電壓，強(qiáng)化濺射和脫碳作用，有利于化合物層中γ，的形成。40Cr鋼和38CrMoAl鋼在含氮25%的氮?dú)錃夥罩?30℃滲氮，當(dāng)氣壓為160Pa時能得到薄薄的γ，單相化合物層，可以在保溫前1-3小時內(nèi)用低氣壓，而在以后的保溫過程中用一般氣壓滲氮。這樣γ，單相層可由1-2um增加到4-5um。提高滲氮溫度還能使它進(jìn)一步增厚。

　　(3)預(yù)脫碳法

　　用熱分解氨離子滲氮時，只有工業(yè)純鐵容易得到γ，單相化合物層。因此可以設(shè)想，如果使材料表面先形成一層脫碳層，隨后再滲氮，就可以得到γ，單相化合物層。如40Cr和38CrMoAl試樣先用氫氣起輝升溫，達(dá)到530℃后保溫1小時，然后改用25%N2-H2或熱分解氨繼續(xù)滲氮，都得到了γ，單相化合物層。

　　(4)延長離子滲氮時間

　　碳鋼、40Cr等材料用分解氨離子滲氮時，隨著滲氮時間延長，化合物層中ε相逐漸減少。

　　(二)ε單相和ε加少量Fe3C化合物層的獲得

　　離子氮碳共滲氣氛中碳量達(dá)到臨界值時，就能得到ε單相化合物層。如果超過臨界含碳量，則得到ε+Fe3C化合物層。圖2給出了45鋼在570-590℃離子氮碳共滲3小時，氣氛的組成與化合物層組織之間的關(guān)系?？梢?，ε相單相區(qū)非常狹窄，在圖中僅僅是一條線，即是臨界含碳量曲線。這就意味著獲得ε單相的工藝性較差，氣氛配比控制得很嚴(yán)格才能做到。否則經(jīng)常得到的是ε+Fe3C雙相化合物層。而形成ε+Fe3C化合物層的氣相配比范圍卻比較寬，生產(chǎn)上容易控制。Fe3C的存在能提高滲氮層的耐磨性，而且少量Fe3C和ε雙相化合物層的脆性并不比ε單相差。因此，離子氮碳共滲獲得ε+少量Fe3C化合物層是有利而無害的。圖2中陰影所示部分為離子氮碳共滲氣氛的配比范圍。在陰影內(nèi)，于570-590℃滲氮3小時，正火45鋼表面可以得到15-30um的ε或ε+Fe3C構(gòu)成的化合物層。氣氛含氮量低，含碳量高，化合物層較薄，反之則厚。如果不需要過厚的化合物層，可以把共滲時間縮短至1-2小時。當(dāng)然，臨界含碳量也要作相應(yīng)調(diào)整。

　　離子氮碳共滲的溫度以570-590℃，時間以2-4小時為宜，氣壓一般用270-530Pa。

　　氮?dú)饧颖楣矟B也同樣能得到ε相或ε+Fe3C化合物層。滲層表面呈銀灰色，雖然不用氫氣，但丙烷中含有的氫足以防止表面氧化。這種工藝不需要?dú)錃猓阌谠谏a(chǎn)中應(yīng)用。

　　(三)用酒精和丙酮進(jìn)行離子軟氮化

　　目前國內(nèi)在生產(chǎn)上常用酒精和丙酮進(jìn)行離子軟氮化，也能得到增加化合物層中ε相含量的效果。一般得到ε-Fe2-3(CN)+γ，-Fe4N雙相化合物層，但是ε相的含量較普通離子滲氮多，因而表面硬度和耐磨性都有進(jìn)一步提高。

　　操作時先通氨氣升溫，到溫后在按一定比例送入含碳?xì)夥铡＞凭捅魵馐遣捎秘?fù)壓抽入的辦法通入爐內(nèi)。在氨/乙醇和氨/丙酮的流量比為9/1-7/3范圍內(nèi)，表面硬度以8/2為**;化合物層的厚度在流量比9/1-8/2范圍內(nèi)變化不大，再增加含碳?xì)夥?，化合物層顯著減薄;不同流量比對擴(kuò)散層深度的影響不大。比較氨/乙醇和氨/丙酮這兩類氣氛，后者能獲得更高的表面硬度，較厚的化合物層和較深的擴(kuò)散層。其混合比以氨/丙酮=9/1-8/2為好。

　　三、無化合物層滲氮表面的獲得

　　滲氮時化合物層，形成的純擴(kuò)散層組織具有很高的強(qiáng)韌性，稱之為高韌性滲氮層。

　　產(chǎn)生純擴(kuò)散層有兩種辦法：

　　(一)兩段處理法：

　　先正常離子滲氮，得到γ，或γ，+ε化合物層的擴(kuò)散層，然后采用氫、氬等氣體輝光放電，靠離子轟擊，使已形成的化合物層分解。

　　(二)控制含氮量：

　　在整個過程中保持等離子區(qū)的低氮勢，以避免在表面產(chǎn)生γ，氮化物的晶核。但此時氮勢應(yīng)恰好僅低于臨界值，以使擴(kuò)散層能被氮所飽和，并且在硬度和深度上不致比通常的擴(kuò)散層加化合物層降低太多。