离子化学热处理复合技术探讨

随着科学和技术的发展，各种装备的可靠性要求越来越高，服役条件更加苛刻，对材料表面性能提出了更高的要求。在一些场合，采用单一技术进行表面改性处理很难满足特殊性能的需要，因而复合处理成为当今表面改性技术发展的一个重要方向。将几种离子化学热处理工艺复合，或将多种离子化学热处理技术与其他先进的表面处理方法匹配，可以解决单一处理方法或单一技术存在的不足，从而有效地提高工件表面的耐磨性、耐蚀性和强度等指标。

1.离子渗氮+等离子体化学气相沉积复合处理

离子渗氮层具有较高的硬度，耐磨性较好，但与TiN、TiC等气相沉积层相比，差距仍然较大。对于气相沉积层，由于它与基体之间的结合介于机械结合和冶金结合之间，结合强度相对较差，疲劳性能较低，特别是在较大负载和冲击负载的作用下，容易出现溃裂。将离子渗氮与气相沉积技术结合起来，可以形成许多突出的特性，特别是与等离子体气相沉积技术（PCVD）复合，可在一套设备中完成整个工作。首先，将离子渗氮作为预处理，可为后续处理生成的TiN等耐磨层建立起良好的硬度梯度，提高覆层的疲劳强度；其次，在渗氮层基础上生长的TiN层，二者晶格结构相近，提高了TiN层的结合强度，抗剥落性能提高。据有关资料介绍，离子渗氮+等离子体化学气相层的耐磨性不仅优于单一的离子渗氮层，而且优于单一的气相沉积层。该项技术已在许多生产领域获得应用。例如，W6Mo5Cr4V2钢制M10不锈钢挤压模，采用离子渗氮+等离子体化学气相处理，使用寿命从8000次提高到16800次。

2.离子氮碳共渗+离子后氧化复合处理

进行离子氮碳共渗处理，可在工件表面形成化合物层，有效地提高了工件表面的耐磨性、抗咬合性和抗擦伤性。但离子氮碳共渗处理后的氮碳化合物层或多或少地存在疏松问题，对耐磨性和耐蚀性造成不利影响。近年来，国内外开发出一种新型的化学热处理工艺——离子氮碳共渗+离子后氧化（称之为PLASOX或IONITOX技术），即在离子氮碳共渗形成的ε化合物表面，再经过离子渗氧处理，形成一层黑色致密的Fe₃O₄膜，有效地提高了工件表面的耐磨性和耐蚀性，其耐蚀性超过镀硬铬处理。与QPQ技术相比，该技术解决了后者的环保问题。

在离子渗氧过程中，由于通入的工作介质是氧气或水蒸气这样一些电负性较强的气体，离子导电性下降，离子轰击作用减弱。因此，进行离子渗氧处理适于采用带有辅助加热或带有保温装置的离子化学热处理炉。45钢采用表9-30所示工艺进行离子氮碳共渗+离子后氧化复合处理，试样表面可获得18μm的ε化合物层，最表层为2～3μm致密的Fe₃O₄层。其渗层硬度分布如图9-67所示，表面硬度较低的区域为氧化层，它的摩擦因数低，且多孔易于储油，提高了抗咬合性能。通过5%NaCl浸泡试验，其耐蚀性能比单一的离子氮碳共渗层提高13倍，比发黑处理提高17倍，比镀硬铬提高2倍，是奥氏体不锈钢的1.1倍。

表9-30 离子氮碳共渗+离子后氧化复合处理工艺参数

3.离子渗碳+离子渗氮复合处理

众所周知，离子渗氮层具有较高的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度，但它的渗层较薄、硬度梯度较陡、表面承载能力较差，而渗碳层具有硬度梯度平缓、承载能力高的特点。因此，将离子渗碳工艺和离子渗氮工艺复合采用，可以充分发挥二者的优势，扩大材料的服役领域。

图9-67 离子氮碳共渗+离子后氧化复合处理的渗层硬度分布

例如，奥氏体不锈钢是一种在石油、化工、食品、制药等行业广泛应用的金属材料，但硬度低和耐磨性差是其突出的缺点。目前，奥氏体不锈钢的强化方法包括离子渗氮、离子渗碳、离子注入等。对06Cr17Ni12Mo2不锈钢采用表9-31的离子渗碳、离子渗氮工艺以及二者的复合处理，可获得图9-68所示的渗层硬度，其硬度梯度分布曲线如图9-69所示（较低的处理温度，有利于防止基体中铬的析出，避免材料耐蚀性下降）。通过复合处理，可有效地改善渗层的硬度梯度；与未处理试样相比，耐蚀性大幅度提高（见表9-32）。(https://www.xing528.com)

4.离子渗氮+离子注入复合处理

离子渗氮技术是提高金属材料表面硬度和耐磨性的有效手段，但受平衡条件的限制，渗氮层的氮含量有限。通过对渗氮层进行离子注入处理，可较大幅度地提高材料表面的氮含量，获得耐磨性更高的表面改性层。

对25Cr3MoA钢首先进行离子渗氮处理，表面获得深度为0.35～0.55mm、最高氮含量达10%（摩尔分数）的渗氮层，然后进行温度为250℃的高温离子注入，离子注入层的深度超过400nm，氮含量达15%（摩尔分数）。通过对比试验，复合处理的耐磨性可比离子渗氮层提高10.5%。

图9-68 离子渗碳（PC）、离子渗氮（PN）以及离子渗碳+离子渗氮复合处理（PC+PN）的渗层厚度

图9-69 不同离子化学热处理的渗层硬度分布曲线

表9-31 06Cr17Ni12Mo2不锈钢离子渗碳、离子渗氮及复合处理的工艺参数

表9-32 06Cr17Ni12Mo2不锈钢离子化学热处理前后的耐磨性能