1、常規(guī)離子滲氮工藝所采用的純NH3或N2-H2混合氣體滲氮介質(zhì)，在滲氮加熱過程中，氣氛中氨分解的不徹底性和H2的易燃易爆性，是生產(chǎn)過程中存在的一種隱患。在肯定離子滲氮技術(shù)具有顯著改善金屬材料表面性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，離子滲氮工藝中介質(zhì)的環(huán)保和安全問題尤其值得關(guān)注。探索能夠取代純NH3或N2-H2混合氣體、安全環(huán)保的滲氮介質(zhì)，更好的發(fā)揮離子滲氮在金屬材料表面改性方面的潛力，已成為當(dāng)前離子滲氮技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的熱點(diǎn)問題之一。 本文基于等

2、離子體放電理論和低溫化學(xué)熱處理原理，研究了純N2、N2-H2和N2-NH3等滲氮介質(zhì)在輝光放電中的離解行為和能量條件，通過對(duì)離子滲氮有關(guān)的電參數(shù)、溫度參數(shù)及壓力參數(shù)等測(cè)定，定量計(jì)算出純N2、N2-H2和N2-NH3等滲氮介質(zhì)中N2+、H2+和NHj+在電場(chǎng)作用下獲得的電場(chǎng)能和不同離子滲氮介質(zhì)中離解N2分子的離子臨界能，提出了純氮離子滲氮新工藝。利用顯微硬度計(jì)、金相顯微鏡和X射線衍射儀等測(cè)試手段，研究了滲氮鋼分別在不同陰極電壓和滲氮介質(zhì)條

3、件下經(jīng)間歇供氣閉爐離子滲氮和常規(guī)純氨離子滲氮工藝處理后，其滲氮層的顯微組織、硬度梯度分布、相組成及其相對(duì)含量，進(jìn)一步分析了ε和γ’相的調(diào)幅結(jié)構(gòu)，并對(duì)離子滲氮表面氮濃度進(jìn)行了計(jì)算，深入探討了離子滲氮工藝參數(shù)對(duì)活性氮原子的產(chǎn)生及擴(kuò)散的影響和離子滲氮機(jī)理。 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)本文提出的純氮離子滲氮新工藝，只有采用高于電壓門檻值650V的陰極電壓進(jìn)行離子滲氮，才能使N2+離子具有離解中性N2分子的臨界能48.64eV，通過N

4、2+離子與中性N2分子的非彈性碰撞離解產(chǎn)生活性氮原子；純氮離子滲氮新工藝除要求達(dá)到一定的工作電壓以外，間歇供氣閉爐滲氮是必備條件，否則也不能實(shí)現(xiàn)離子滲氮。(2)從理論上為了描述滲氮介質(zhì)被離解的難易程度，提出了介質(zhì)中離解N2分子的離子臨界能概念；為了便于工藝參數(shù)的控制，提出了與離解N2分子的離子臨界能對(duì)應(yīng)的電壓門檻值。(3)純NH3、純N2、N2-H2和N2-NH3離子滲氮的滲氮層具有類似的顯微組織和相結(jié)構(gòu)，主要與滲氮介質(zhì)離解產(chǎn)生活性氮原

5、子的氣源種類、陰極電壓和氣體混合比有關(guān)。有利于離子滲氮介質(zhì)離解產(chǎn)生活性氮原子的陰極電壓與氣體混合比的匹配，將增加表面滲氮層中高氮的ε-Fe3N相的體積百分?jǐn)?shù)，提高工件的表面氮濃度和硬度，此時(shí)離子滲氮層中白亮層、擴(kuò)散層和心部基體組織三部分特征非常明顯。(4)因?yàn)椴煌瑵B氮介質(zhì)中入射正離子與中性粒子之間非彈性碰撞產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換效率不同，導(dǎo)致滲氮介質(zhì)離解難易程度和滲氮效果不同。如純氮離子滲氮中離解N2分子的N2+離子臨界能為48.64eV，電壓

6、門檻值為650V，而氮?dú)浠旌蠚狻⒌被旌蠚庵须x解N2分子的H2+離子應(yīng)具有的臨界能均為26.06eV，電壓門檻值為490V。(5)采用純NH3、純N2、N2-H2和N2-NH3進(jìn)行離子滲氮時(shí)，其共同點(diǎn)是必須產(chǎn)生活性氮原子。N2-H2混合氣離子滲氮的活性氮原子主要來自于H2+和N2+等離子與N2中性分子的非彈性碰撞離解。N2-NH3混合氣離子滲氮的活性氮原子則主要來自于H2+和N2+等離子與N2和NH3中性分子的非彈性碰撞離解，其次是部分

7、NH3的熱激活分解。(6)因H2或NH3在電場(chǎng)能作用下離解產(chǎn)生高能H2+離子，H2+離子與中性粒子N2或(和)NH3分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，其電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為中性粒子N2和NH3分子內(nèi)能的效率高，故H2或NH3的加入可有效地降低離解N2分子的離子臨界能和電壓門檻值，改變了N2分子的離解機(jī)制，使N2-H2和N2-NH3混合氣介質(zhì)比純氮?dú)怏w介質(zhì)更容易離解產(chǎn)生活性氮原子。(7)離子滲氮層ε和γ’化合物相的形成，直接影響氮原子自界面向內(nèi)層α相中的擴(kuò)散