4.离子渗氮
离子渗氮是在低真空的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，使之产生辉光放电进行渗氮处理的化学热处理工艺。离子渗氮有多种名称，如离子氮化、辉光放电氮化、离子轰击渗氮、等离子体渗氮等。
（1）离子渗氮的特点
离子渗氮是在低真空含氮气氛中，利用模具（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺，与气体渗氮相比，有以下特点。
1）工作环境好。由于离子渗氮法不是依靠化学反应作用，而是利用离子化的含氮气体进行渗氮处理，所以工作环境十分清洁而不需要防止公害的特别设备。因而，离子渗氮法也被称为21世纪的“绿色”渗氮法。
2）渗入速度快。由于离子渗氮法利用离子化的气体的溅射作用，因而可显著缩短处理时间（离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/5～1/3）。
3）能源消耗少。由于离子渗氮法利用辉光放电直接对工件进行加热，因此也不需要特别的加热和保温设备，且可以获得均匀的温度分布，与间接加热方式相比加热效率可提高2倍以上，达到节能效果（能源消耗仅为气体渗氮的40%～70%），可大大降低处理成本。
4）零件变形小。由于离子渗氮是在真空中进行的，因而可获得无氧化的加工表面，也不会损害被处理工件的表面质量。而且由于是在低温下（400℃左右）进行处理，被处理工件的变形量极小，处理后无须再行加工，极适合于成品的处理。
5）渗氮组织易于控制。通过调节渗氮气体的成分，可自由地调节化合物层的相组成，从而获得预期的力学性能。
6）适应范围广泛。从380℃起即可进行离子处理。可用于不锈钢模具的渗氮，利用离子的轰击作用，可以自动去除不锈钢、耐热钢模具表面的钝化膜，可直接进行不锈钢模具的渗氮。此外，也可以对钛等特殊材料在850℃的高温下进行渗氮处理。
7）易于实现局部渗氮。用机械屏蔽法即可对非渗氮部位进行有效的保护。比气体渗氮采用电镀、涂料保护法经济、简便。
图9-4 离子渗氮装置结构示意图
8）操作比气体渗氮复杂，需要控制的工艺参数多，测量温度和控制温度均匀比较难；装炉有严格要求，装炉不妥或形状不同、大小不同的零件混装炉容易出现渗氮层不均匀等疵病，造成废品或返修；设备费用高，有时需要配置辅助阳极等。
（2）离子渗氮的原理
离子渗氮装置包括炉体设备和辅助系统。炉体设备为带微机装置的钟罩炉，辅助系统有真空系统和输气系统，其结构如图9-4所示。
离子渗氮是在低真空度下，向炉中通入氨气或氮氢混合气体。以工件为阴极，炉壁为阳极，在阴阳极间加上400～1000V的直流电压，在高压电场作用下引起辉光放电，氮被离子化，具有高能量的氮离子以高速向工件表面轰击，一方面使工件表面产生离子溅射，造成晶格缺陷；另一方面，轰击产生热能，加热工件表面。氮离子被工件表面擒获、吸收，并向工件内部扩散，形成渗氮层。
（3）离子渗氮的主要工艺参数
1）真空度。一般为1.33～13.3Pa。
2）气体压力。气体压力常用为266～798Pa。
3）电流密度。电流密度为0.5～5mA/cm2。
4）辉光电压。加热电压为550～750V。在保温阶段，电压应比加热阶段略低，通常为550～650V，形状简单的取650V，形状复杂的取550V。(https://www.daowen.com)
5）渗氮温度。可以取350～570℃，即使在400℃以下也能进行渗氮处理。渗氮温度低时渗氮层薄，温度过高则氮化物粗化、硬度下降并降低抗粘模能力。多采用510～550℃，渗氮层深度以≤0.3mm为宜。
6）渗氮时间。离子渗氮时间主要取决于所选用的材料、要求的渗氮层深度以及渗氮的温度。模具的离子渗氮时间一般取1～6h。
7）渗氮气氛。目前离子渗氮一般使用的是预先经过热分解的氨气，可以较好地解决直接通氨气进行离子渗氮时所产生的一些缺陷，而且方法简便。采用N2和H2的混合气体进行渗氮，H2作为稀释气体加入可调节渗氮气氛的氮势（N2与H2的体积比可以在20∶80～80∶20之间变化），从而较容易地对渗氮层组织进行控制。
（4）离子渗氮前的准备工作
为了提高离子渗氮质量，不仅要求操作人员严格按照工艺操作规程进行渗氮操作，而且还必须对模具的预备热处理、设备性能进行严格控制。
1）模具零件调质处理。模具调质后其基体为回火索氏体组织，可提高模具基体强度、韧性及疲劳性能。同样条件下，调质后渗氮层深度可增加20%以上，硬度也有所提高。如38CrMoAl模具520℃×8h离子渗氮，调质试样渗氮层平均硬度为1288HV，渗氮层深度为0.36mm，未调质试样渗氮层平均硬度为1028HV，渗氮层深度为0.28mm。
2）模具零件去应力退火。为了减少零件渗氮后的变形，在半精加工后，进行去应力退火处理。加热温度为550～600℃，保温3～5h，可减小模具渗氮变形量。
3）模具渗氮前应脱脂除锈，清理飞边，消除弧光放电源。
4）应进行设备极限真空度试验，炉子应在限定的时间内达到6.65Pa。若没有足够的极限真空度，则易引起模具零件在渗氮和冷却过程中氧化，加大氮原子的扩散阻力。
5）炉子的真空保持能力（即压升率）为炉压每分钟上升0.133～0.266Pa，即能满足渗氮工艺要求。一般开炉后应进行一次真空保持试验。
（5）离子渗氮的应用
离子渗氮法是在模具上应用较多和使用效果较好的一种表面强化方法，在热锻模、压铸模、冷热挤压模、冲模、冷镦模、滚丝模、拔丝模等模具上，获得了较好的应用效果。离子渗氮工艺与使用效果见表9-4。
表9-4 离子渗氮工艺与使用效果
实例Cr12MoV钢制拉深模的凹模采用离子渗氮表面强化处理工艺。
① 工艺路线。下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火、回火→精加工→离子渗氮→装配。
② 凹模预备热处理。球化退火消除锻造残余应力，改善组织，降低硬度，便于机械加工。退火工艺为860℃加热3h，在740℃保温4h，进行退火；机械加工后，模具工作面涂WAC-1型防氧化脱碳涂料；550℃预热40min，再加热至1030℃，保温30min，在油中淬火；然后在520℃回火1h，此时模具硬度为61HRC。
③ 离子渗氮处理。在LD-60炉中进行，通入氨分解气，气压保持在（5～8）×102 Pa，辉光放电电压为500～600V，电流密度为1mA/cm2。在500℃温度下，经5h渗氮，渗氮层深度为0.12mm，渗氮层硬度为1200HV。
④ 凹模经淬火、回火、离子渗氮处理后，拉深工件质量提高，其表面不再有拉毛现象。模具使用寿命由原2000件提高到50000件。
⑤ 结论。离子渗氮提高了拉深模的使用寿命，其原因在于：模具零件表面渗氮层有很高的硬度和耐磨性；渗氮处理使模具表面形成了一层化合物保护层，降低了模具凹模与材料之间的摩擦因数；化合物层降低了摩擦副之间的互溶性，避免了咬合的出现。