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离子渗氮作为一种高效的渗氮方法被广泛用于含Cr合金钢材的表面强化。但常规离子渗氮时工件需要参与等离子体的产生过程,容易出现表面打弧和边缘效应等问题,影响了工件的强化效果。空心阴极离子源渗氮则是通过空心阴极装置产生高活性的等离子体及高温效果,工件可以不做等离子体产生的阴极,避免了常规氮化的问题,提高了渗氮效率。本文选择42CrMo合金钢、AISI 304奥氏体不锈钢和2Cr13马氏体不锈钢三种不同类型的含Cr合金钢进行了渗氮处理。通过常规渗氮和空心阴极离子源渗氮两种工艺对42CrMo合金钢和AISI 304不锈钢进行氮化,使用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）等测试方法,分析了渗氮处理后的表面形貌和粗糙度、氮化层物相组成、表面硬度、耐腐蚀性和摩擦学性能等。42CrMo合金钢和AISI 304不锈钢的渗氮结果表明,空心阴极处理和常规处理都获得了相同的物相且横截面的元素分布相似,SEM和EDS结果表明空心阴极处理的化合物层均匀性良好,AFM检测的纳米粗糙度空心阴极处理的高于常规氮化,空心阴极处理的显微硬度略低于常规处理。XPS结果表明,42CrMo合金钢空心阴极处理的试样FexOy较多FexN较少。电化学测试发现42CrMo合金钢氮化后的耐腐蚀性优于未处理试样,空心阴极处理的腐蚀电位比常规氮化的提高了0.36V,EIS拟合数据试样的RCT值比常规处理高了一个数量级。摩擦测试表明AISI 304不锈钢氮化处理后提高了摩擦性能,磨损机理由严重塑性变形和粘附磨损转变为氧化磨损和轻微磨粒磨损,空心阴极处理的摩擦系数低于常规处理。根据42CrMo合金钢和AISI 304不锈钢的结果,对2Cr13不锈钢采用空心阴极离子源渗氮的阴极、阳极和悬浮三种电位处理。结果表明电位处理对表面形貌、氮化层厚度及表面硬度的影响较大;阴极电位处理时氮化层厚度、表面硬度和宏观表面粗糙度的值最大,悬浮电位的最小。空心阴极氮化后磨损机理由磨粒磨损伴有轻度塑性变形转变为氧化磨损,悬浮电位处理的摩擦系数最低,耐磨性最好。且悬浮电位处理的腐蚀电位较高,未见明显的腐蚀坑,其耐蚀性较好。对比2Cr13不锈钢在450℃氮化5h和550℃氮化1h的渗氮结果,发现空心阴极离子源渗氮可以在高温短时间内达到低温长时间的氮化效果,且无CrN析出。因此,ANSYS模拟了试样氮化处理时的温度,发现相同能量下空心阴极离子源渗氮升温速率和保温温度比常规处理高。达到相同保温温度时,低能量空心阴极试样的温度均匀性好,表面温差仅为常规处理的25%。