电磁纯铁因其优异的磁学性能（高饱和磁化强度、极低矫顽力）以及良好的塑韧性和导热性，在航空航天、军工及民用领域的磁性部件制造中占据重要地位，典型应用如磁粉离合器的转子和外壳。然而，纯铁基体硬度低、耐磨性差，严重制约了其服役寿命。表面离子渗氮技术被认为是提升其表面性能的有效手段，但传统工艺在渗氮效率、层深和相组成调控方面仍存在局限。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究采用热丝增强等离子体离子氮化技术，通过在真空腔中增设钨丝作为辅助电子源，显著提高气体离化率和等离子体密度，从而增强渗氮动力学。研究重点在于探究渗氮气氛中氢气的促渗作用及其机理，并结合阶段性保温合金化工艺，系统分析渗氮层组织结构、相组成、硬度梯度及耐磨性能的演变规律，最终获得具有良好强韧性匹配的超厚强化层，并验证其在工业部件上的应用效果。

实验材料与方法

热丝增强等离子体离子氮化系统以及Fe-N二元相图与H₂促渗机理示意图

试样为电磁纯铁（φ42mm×2mm），经打磨、抛光、清洗后，置于热丝增强等离子体离子氮化系统中。抽真空至3mPa，加热至520℃。通入氩气，在-120V和-300V偏压下刻蚀清洗。随后在基体偏压-300V、灯丝电流32A、温度520℃、气压0.4Pa下进行渗氮。

设计四组工艺：（1）5h纯N₂；（2）3h N₂/H₂+2h N₂；（3）5h N₂/H₂；（4）(1h N₂/H₂+1h N₂+0.5h保温)×2。保温阶段停止通气。采用XRD分析物相，SEM观察截面，显微维氏硬度计测硬度，摩擦磨损试验和台阶仪测耐磨性。

形貌与相结构

渗氮试样横截面 SEM 显微组织形貌

渗氮层由表层化合物层（白亮层）和内部扩散层组成。扩散层中氮原子过饱和析出，呈晶界针状和晶内短棒状氮化物。纯N₂时界面弯曲，因氮以晶界扩散为主；加H₂后体扩散增强，界面变平直。纯N₂时ε-Fe₃N与γ′-Fe₄N比例为29:71，渗层500μm。随H₂增加，韧性相γ′-Fe₄N比例升至94%（优化工艺），ε相相应降低。

扩散行为

不同渗氮气氛渗氮层的 XRD 衍射图谱

计算氮扩散速率：纯N₂为13.88μm²/s；N₂/H₂共渗增至25.68μm²/s。引入两段保温合金化后，因保温阶段氮向内部扩散、再次供氮形成高浓度梯度，扩散速率猛增至55.55μm²/s，渗层厚达1000μm。

力学性能与耐磨性

不同渗氮气氛下试样截面硬度-深度梯度分布曲线

离子渗氮使表面硬度从89HV₀.₁升至227HV₀.₁。引入保温合金化后，在100~700μm深度出现硬度变化平缓的过渡“平台”，为表层硬脆化合物层提供支撑。

不同渗氮气氛下渗氮试样磨痕表面形貌及磨痕截面二维形貌

不同渗氮气氛下渗氮试样摩擦因数曲线图

纯N₂时磨损率为6.3×10⁻⁵mm³·N⁻¹·m⁻¹，摩擦因数0.29，磨痕呈氧化磨损和粘着磨损特征。

纯铁基体和各渗氮试样磨痕深度、宽度及磨损率

优化工艺后，由于γ′-Fe₄N比例提高、渗层增厚和硬度梯度平缓，磨损率降至1.3×10⁻⁵mm³·N⁻¹·m⁻¹（较基体降低超15倍），摩擦因数降至0.24（降42.9%），磨损机制转为轻微磨粒磨损。对磁粉离合器转子进行优化氮化并超载运行，磨损量减小39.8%~41.4%。

本研究采用热丝增强等离子体离子氮化技术对纯铁表面渗氮时，气氛中加入氢气能促进氮原子体扩散，使化合物层与扩散层界面趋于平直，同时将韧性相γ′-Fe₄N的比例提升至94%。结合两段保温合金化工艺，停止供氮阶段促使表层高氮相分解、氮向内扩散，再次供氮时形成高浓度梯度，从而将氮扩散速率提升至55.55 μm²/s，渗层厚度从500 μm增至1000 μm，并在100~700 μm深处形成硬度变化平缓的过渡平台，为表层硬脆化合物提供了有效支撑。这种组织优化显著降低了硬度梯度，使磨损率较基体降低超过15倍，摩擦因数从0.42降至0.24，磨损机制由粘着氧化磨损转为轻微磨粒磨损。该优化工艺在磁粉离合器部件上经超载运行验证，磨损量减小约40%，具备明确的工业应用前景。

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原文参考：《热丝增强等离子体纯铁氮化中氢的促渗作用》