离子渗氮是在离子的轰击下进行的。处于阴极位降区的离子的平均能量约为几十电子伏特。当电压力为800伏时，氮离子所具有的能量比气体渗氮氨分解时所得氮原子的能量高3000倍。高能粒子轰击产生阴极溅射，与铁原子从阴极表面分离飞溅的同时，碳、氧和合金元素也被轰击出来，使零件表面的氧化物和碳化物还原。如果有氢气存在，则既可防止气氛中残留氧的氧化作用，又可还原零件表面的氧化物，从而得到一个活性的洁净表面，使渗氮反应相当活跃。

离子渗氮时氮的迁移主要是通过铁原子的溅射和氮化铁沉积过程来实现的。因此渗氮一开始就形成富氮相与零件表面的α-Fe直接接触。这样高速度地供氮，促使α-Fe很快就被氮饱和。几分钟后，相应的化合物层就与被氮饱和的α-Fe建立了平衡，而气体渗氮零件表面出现氮化物层一般需要1~2小时。

离子渗氮时高能粒子和金属表层晶格中的原子弹性碰撞，产生了高密度位错。对离子轰击过得纯铁箔的电子显微镜观察研究表明，位错密度提高将增加材料的渗透能力，从而加速了氮的扩散。

在气体渗氮初期氮的扩散主要是沿着晶界进行的。氮与晶界上的碳化物相接触形成了碳氮化合物。这样，相当一部分氮无益地消耗了，而且所形成的碳氮化合物还强烈地阻碍晶界扩散，使渗氮层向内推进速度减速，而且主要是沿着位错狗扩散。此外，碳从表面被溅射出来，使晶界处于脱碳状态，明显阻碍了在奥氏晶体界上形成碳氮化合物。这样氮原子也可以顺利地沿着无碳氮化合物的晶界扩散，因此扩散速度显著加快。

渗氮温度和保温时间相同时，的渗层比气体渗氮的深特别当渗层在0.2mm以下时，离子渗氮能更有效地缩短渗氮时间，以38CrMoAlA钢为例，如果要求渗层深度为0.5mm，离子渗氮需要20~30小时，气体渗氮则需要40~50小时，在渗氮层较浅的情况下，离子渗氮得到0.2mm渗氮层只要2~4小时，而气体渗氮则需要10小时。

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