38CrMoAl钢是一种中碳合金钢,是工程中广泛使用的材料之一,有高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。38CrMoAl钢也是一种常用渗氮钢,一般要求表面硬度高、耐磨性好、同时具备较高的心部强度的渗氮零件普遍采用38CrMoAl钢。由于具有生产周期短、绿色无污染、节能省气、无需再加工、渗氮气氛和渗氮层组成可调节等一系列优点,离子渗氮已经在各方面性能要求都颇高的精细零件制作上有着不可替代的作用。在众多离子渗氮方式中,空心阴极辅助离子渗氮以其更节能、高效的优势在渗氮工艺中有着广阔的市场应用前景。本文通过对离子渗氮各因素对渗氮层影响的研究,根据实际离子渗氮设备情况,选取了包括渗氮时间、渗氮温度、试样所做电极方式作为影响因素,通过三因素三位级正交实验较为精准的探索出了38CrMoAI钢空心阴极辅助离子渗氮的最佳工艺方法。并对最佳工艺下所得渗氮试样的表面显微硬度、表面形貌、表面粗糙度、硬度梯度以及渗层厚度进行了详细检测。检测结果表明,本文所述最佳工艺条件下空心阴极辅助离子渗氮层显微硬度显著提高,比渗氮前试样提高了4～5倍；渗氮试样的表面粗糙度与渗氮前的抛光试样基本无异,在实际应用中无需再加工；渗氮层外表面有一层较明显的厚度约为3μm的白亮层,38CrMoAl钢最佳工艺离子渗氮层深度能达到300μm左右；渗氮层均由ε和γ′相组成。38CrMoAl钢空心阴极辅助离子渗氮层性能优异,能较好的满足实际工业需求。本文还从理论角度分析了离子渗氮过程中的各个物理化学反应,以及活性氮原子在离子渗氮过程中的间隙扩散和反应扩散过程。从热力学角度分析了γ′-α和ε-γ′相界面由渗氮试样表面向心部逐步推移的条件。针对工业上氮势定义的不足,从热力学角度推倒出了具有普遍意义氮的活度公式,具有一定的理论指导作用。