等離子體熱擴滲技術

等離子體熱擴滲技術劉瑞良liuruiliang@現在是1頁\一共有100頁\編輯于星期二等離子體概述現在是2頁\一共有100頁\編輯于星期二1901年12月12日，發(fā)生了一件使當時的科學家們?yōu)橹惑@的“怪事”。在加拿大的紐芬蘭收到了英國人馬克尼從英國的康沃爾發(fā)出的電訊號。人們在當時怎么也弄不明白，一向以直線傳播的無線電波怎么會從康沃爾橫越3400公里的大西洋，繞過彎曲的地球表面?zhèn)鞯郊~芬蘭呢？這其實是等離子體在作怪！！英國的物理學家海維賽德和美國電氣工程師肯涅利在等離子體概念確立之前就設想大氣層的高處有一個帶電粒子層（等離子層），無線電波向四面八方傳播時，有一部分向地面上空傳播，這部分電磁波遇到了高空中的帶電粒子層就反射回來傳到遠處。英國物理學家阿普頓(E.V.Appleton)用實驗證實了高空中電離層的存在，因而他獲得了1947年度的諾貝爾物理學獎。等離子體的發(fā)現

—諾貝爾獎現在是3頁\一共有100頁\編輯于星期二什么是等離子體(plasma)？所謂等離子體，是指正負電荷共存，處于電中性的放電氣體的狀態(tài)。等離子體是由大量的自由電子和離子組成且在整體上表現為近似電中性的電離氣體。它與大家熟悉的物質三態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))一樣，是物質存在的又一種聚集態(tài)。所以，人們又把等離子體稱為物質第四態(tài)，或稱為等離子態(tài)。現在是4頁\一共有100頁\編輯于星期二等離子體是物質第四態(tài)固體

冰液體

水氣體

水汽等離子體

電離氣體溫度00C1000C100000CH2O現在是5頁\一共有100頁\編輯于星期二宇宙中90％物質處于等離子體態(tài)人類的生存伴隨著水，水存在的環(huán)境是地球文明得以進化、發(fā)展的的熱力學環(huán)境，這種環(huán)境遠離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠離人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見物質的存在形式，大氣外側的電離層、日地空間的太陽風、太陽日冕、太陽內部、星際空間、星云及星團，毫無例外的都是等離子體?，F在是6頁\一共有100頁\編輯于星期二地球上，人造的等離子體也越來越多地出現在我們的周圍。日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器典型的工業(yè)應用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結、冶煉、加熱、有害物處理高技術應用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強流束、飛行器鞘套與尾跡現在是7頁\一共有100頁\編輯于星期二密度(cm-3)溫度(oC)太陽核心磁約束聚變霓虹燈北極光火焰閃電日冕氫彈星際空間熒光氣體

液體

固體

人類居住環(huán)境慣性聚變星云太陽風等離子體參數空間現在是8頁\一共有100頁\編輯于星期二等離子體分類冷等離子體

Te≠Ti,Ta熱等離子體

Te＝Ti,Ta電弧、碘鎢燈極光、日光燈電子溫度100000C1eV聚變、太陽核心高溫

等離子體低溫

等離子體現在是9頁\一共有100頁\編輯于星期二電離氣體是一種常見的等離子體放電是使氣體轉變成等離子體的一種常見形式

等離子體電離氣體普通氣體等離子體放電需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體性質(電離度>10-4)現在是10頁\一共有100頁\編輯于星期二冷等離子體應用等離子體的化學過程刻蝕化學氣相沉積（成膜）等離子體材料處理表面改性表面冶金光源冷光源（節(jié)能）低溫等離子體應用現在是11頁\一共有100頁\編輯于星期二熱等離子體應用高溫加熱冶金、焊接、切割材料合成、加工陶瓷燒結、噴涂、三廢處理光源強光源現在是12頁\一共有100頁\編輯于星期二等離子體軍事及高技術應用軍事應用等離子體天線、等離子體隱身、等離子體減阻、等離子體鞘套、等離子體誘餌高技術大功率微波器件、X射線激光、強流束技術、等離子體推進現在是13頁\一共有100頁\編輯于星期二低溫冷等離子體形成方法真空條件下直流輝光放電真空條件下的射頻輝光放電真空條件下的微波等離子體電暈放電大氣等離子體炬大氣條件下的介質層放電現在是14頁\一共有100頁\編輯于星期二真空條件下的直流輝光放電等離子體直流輝光放電原理現在是15頁\一共有100頁\編輯于星期二最簡單的直流放電管的結構如圖所示。氣體放電裝置其中，A為陽極；B為陰極；G是放電管；V是直流電源；K是開關；R是限流電阻現在是16頁\一共有100頁\編輯于星期二直流放電的伏安特性調節(jié)電源電壓或限流電阻，就會得到下圖中的氣體放電的伏-安特性曲線。氣體放電的伏-安特性曲線現在是17頁\一共有100頁\編輯于星期二直流輝光放電區(qū)結構現在是18頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是19頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是20頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是21頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是22頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是23頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是24頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是25頁\一共有100頁\編輯于星期二空心陰極輝光放電現在是26頁\一共有100頁\編輯于星期二射頻輝光放電配電箱RF電源氣體真空室現在是27頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是28頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是29頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是30頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是31頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是32頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是33頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是34頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是35頁\一共有100頁\編輯于星期二現在是36頁\一共有100頁\編輯于星期二微波等離子體GasMicrowave2.45GHzQuartzWindowSubstrateHolderECRPlasmaMagneticCoils現在是37頁\一共有100頁\編輯于星期二電暈放電電暈放電(coronadischarge)氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電。最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現電暈放電引。發(fā)生電暈時在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期發(fā)展階段?，F在是38頁\一共有100頁\編輯于星期二等離子體炬現在是39頁\一共有100頁\編輯于星期二電介質層放電現在是40頁\一共有100頁\編輯于星期二形成條件:二電極間有絕緣介質存在交變電場特點：1.高氣壓(105-106Pa)高電壓降(103-105V)低電流密度(10-2-10-3A/cm2)Te>>TiTg

102°K

HV（a.c.)現在是41頁\一共有100頁\編輯于星期二低溫熱等離子體形成方法氣體電弧等離子體金屬電弧等離子體激光等離子體現在是42頁\一共有100頁\編輯于星期二氣體電弧等離子體氣體等離子體噴口弧根陽極噴管現在是43頁\一共有100頁\編輯于星期二真空金屬電弧等離子體陰極出發(fā)電壓電磁閥管道Plasmaandotherparticles現在是44頁\一共有100頁\編輯于星期二激光等離子體LaserplumeLaserbeamSubstrateVacuumsystemGasRotatingtarget現在是45頁\一共有100頁\編輯于星期二Havearest!現在是46頁\一共有100頁\編輯于星期二等離子體熱擴滲技術現在是47頁\一共有100頁\編輯于星期二一、熱擴滲相關概念金屬（主要是鋼）放在有一定活性的介質（氣相、液相或固相）中加熱，利用欲滲元素原子的擴散性能，使金屬或非金屬元素（C、N、B、Al、V等）滲入鋼的內部，改變鋼表面的化學成分，形成新的合金滲層的熱處理工藝。（注：表面淬火指改變表層的組織）主要包括：滲氮（氮化）滲碳氮碳共滲（氰化）碳氮共滲滲硼滲鋁等現在是48頁\一共有100頁\編輯于星期二二、基本過程1、分解例如：氣體滲氮時常采用氨氣分解：2NH3

→3H2+2[N]滲碳過程的基本反應（可加入催化劑）：Na2CO3

→Na2O+CO2

BaCO3

→BaO+CO2CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]現在是49頁\一共有100頁\編輯于星期二2、吸附

主要發(fā)生在表面的缺陷處，如：鋼的表面上存在大量的位錯和晶界，為活性原子的滲入提供了方便的通道。（1）物理吸附：沒有電子的轉移和化學鍵生成的吸附。物理吸附是可逆的，吸附量隨溫度升高而下降(線段1)。（2）化學吸附：有電子交換，組成離子鍵結合或共價鍵結合的吸附(線段2)?；瘜W吸附有選擇性，反應速度很快，并隨溫度升高反應速度明顯增大?，F在是50頁\一共有100頁\編輯于星期二3、擴散

表面與內部存在著濃度差，要發(fā)生原子遷移現象，被滲元素的原子由濃度高處向低處遷移，發(fā)生擴散現象。純擴散，可在母相金屬中形成無限固溶體（間隙、置換固溶體）現在是51頁\一共有100頁\編輯于星期二(1)溫度影響D=D0

e-Q/RT

D0為擴散常數，R為氣體常數，T為熱力學溫度，Q為擴散激活能(2)濃度的影響，在滲碳及碳氮共滲時，可采用強滲工藝(3)晶格類型的影響，C、N原子在體心立方的α-Fe中的擴散系數比在面心立方的γ-Fe中大(4)固溶體類型的影響（擴散激活能小）(5)固溶體中第三元素的影響(6)晶粒界面的影響（缺陷）(7)形變與應力的影響擴散過程的影響因素現在是52頁\一共有100頁\編輯于星期二常見熱擴滲處理件性能比較滲碳：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強度。氮化：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性。氰化：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強度。滲硼：提高表面硬度、耐磨性和耐蝕性。滲硫：提高表面減磨性和抗咬合性。滲鋁：提高表面抗氧化性。滲鉻：提高表面抗氧化性、耐蝕性和耐磨性。滲硅：提高表面硬度、耐蝕性及抗氧化性。滲鋅：提高表面抗大氣腐蝕性力?，F在是53頁\一共有100頁\編輯于星期二典型熱擴滲技術介紹將鋼件在碳的活性介質中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學熱處理工藝。工藝流程：鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工1.滲碳現在是54頁\一共有100頁\編輯于星期二滲碳劑：CO或CH4，化學分解出[C]影響因素：（1）滲碳溫度越高，滲層越厚，表面碳含量越高。（2）保溫時間技術要求：（1）表面碳含量，0.7～1.05%耐磨取上限，強韌性要求一定耐磨取下限。（2）表層硬度，56～63HRC現在是55頁\一共有100頁\編輯于星期二固體滲碳現在是56頁\一共有100頁\編輯于星期二氣體滲碳優(yōu)點：生產效率高，滲層質量好，勞動條件好。缺點：滲層含碳量不易控制，耗電量大?，F在是57頁\一共有100頁\編輯于星期二真空滲碳新型現在是58頁\一共有100頁\編輯于星期二滲碳后的熱處理：（1）直接淬火低溫回火法。（2）一次淬火低溫回火法。（3）二次淬火低溫回火法（細化心部組織，消除滲層的網狀碳化物）滲碳件質量的檢驗如：金相實驗；硬度測試；剝層化學分析法現在是59頁\一共有100頁\編輯于星期二2.滲氮（氮化）和別的熱擴滲技術一樣也包括三個過程：分解、吸收、擴散。

滲氮介質：氨氣等含氮氣體：2NH3→3H2+2[N]現在是60頁\一共有100頁\編輯于星期二一段滲氮現在是61頁\一共有100頁\編輯于星期二二段滲碳（提高溫度為550℃，表層硬度有所降低）現在是62頁\一共有100頁\編輯于星期二三段滲碳550℃后520℃濃度有所變化現在是63頁\一共有100頁\編輯于星期二3.碳氮共滲/氮碳共滲三個階段：（1）共滲介質分解產生活性碳原子和氮原子。（2）分解出來的活性碳、氮原子被鋼表層吸收，并逐漸達到飽和狀態(tài)。（3）鋼表面層飽和的碳、氮原子向內層擴散兼得滲氮和滲碳兩者優(yōu)點?，F在是64頁\一共有100頁\編輯于星期二新型熱擴滲技術

—等離子體熱擴滲技術等離子體化學熱處理，又稱離子化學熱處理，是利用稀薄氣體的輝光放電現象加熱工件表面和電離化學熱處理介質，實現在金屬表面滲入欲滲元素的工藝。現在是65頁\一共有100頁\編輯于星期二1、離子滲氮機理（1）K?lbel離子濺射滲氮模型高能氮離子轟擊陰極使Fe濺射出陰極表面，Fe與氮原子結合成FeN，FeN重新沉積在工件表面（背散射），處于亞穩(wěn)態(tài)的FeN按FeN→Fe2-3N→Fe4N順序依次分解，分解出的活性N滲入鋼內，同時鋼表面從外到內形成由Fe2-3N（ε相）和Fe4N（γ′相）的滲氮層。離子滲氮在含氮氣體中輝光放電，使N滲入鋼的內部?，F在是66頁\一共有100頁\編輯于星期二新的直流離子滲氮模型。（2）新的離子滲氮模型濺射粒子的形貌濺射粒子的結構吸附-脫附模型直流離子濺射下來的納米粒子照片和粒子的x衍射圖?，F在是67頁\一共有100頁\編輯于星期二離子滲氮設備原理圖。2、離子滲氮設備與工藝現在是68頁\一共有100頁\編輯于星期二

雙層水冷式結構；

外加熱式結構；

保溫式結構。（1）真空室現在是69頁\一共有100頁\編輯于星期二（3）真空系統(tǒng)由于是低真空，可以采用旋片式機械真空泵。（2）電器系統(tǒng)直流高壓電源，0～1000V連續(xù)可調，有滅弧裝置?，F在是70頁\一共有100頁\編輯于星期二（1）將清洗好的工件放入離子滲氮爐內，抽真空至1Pa左右；（2）通入少量含氮氣體，接通直流高壓電源，產生輝光放電；（3）濺射清洗凈化被處理工件表面；（4）調整氣壓和電壓，將工件加熱到所需要的處理溫度（～550℃），開始滲氮；（5）保溫一定時間，達到滲氮層要求的厚度；（6）斷電、工件在真空中冷至200℃以下出爐。滲氮后的工件表面呈銀灰色。3、離子滲氮工藝過程現在是71頁\一共有100頁\編輯于星期二在<590℃（共析溫度）滲氮，隨著輸入氣體的氮勢的增加，滲氮層組織自外向內依次為：

→+‘→‘+擴散層→α擴散層4、離子滲氮的組織及影響因素38CrMoAl鋼滲氮后表面組織形貌560oC×5h現在是72頁\一共有100頁\編輯于星期二（1）滲氮溫度：隨溫度升高，滲層厚度增加。<550℃，隨溫度提高，‘相比例增加；>550℃后，相比例增加。（2）滲氮時間：滲氮初期（<30min）滲速遠大于氣體滲氮速度，隨時間延長，滲速減慢，逐漸接近氣體滲氮速度。

影響離子滲氮層的主要因素(1)現在是73頁\一共有100頁\編輯于星期二（3）滲氮氣體：常用氨、氮氣+氫氣等氣體。表是38CrMoAl鋼在不同氣氛中滲氮后，表面氮濃度和化合物層相組成。影響離子滲氮層的主要因素(2)現在是74頁\一共有100頁\編輯于星期二放電功率越大，滲氮層越厚。

影響離子滲氮層的主要因素(3)（4）滲氮氣壓、電壓和電流密度：氣壓對滲氮層厚度有最大值?，F在是75頁\一共有100頁\編輯于星期二（1）硬度：滲氮層的硬度取決于滲氮溫度、鋼中合金元素種類和鋼種。5、離子滲氮層的性能現在是76頁\一共有100頁\編輯于星期二（3）韌性：滲氮層僅有擴散層的韌性最好，有單相化合物層（或'）的次之，'+相混合相的最差。（4）耐磨性：與其它滲氮方法相比，離子滲氮對滾動摩擦的耐磨性最好。（2）疲勞強度：滲氮可以提高工件的疲勞強度，并隨擴散層厚度的增加而提高。現在是77頁\一共有100頁\編輯于星期二常用鋼種的離子滲氮工藝現在是78頁\一共有100頁\編輯于星期二離子滲氮的應用模具離子滲氮的應用條件及效果現在是79頁\一共有100頁\編輯于星期二擠塑機螺桿：38CrMoAl；缸套：灰口鑄鐵；曲軸：球墨鑄鐵；壓鑄模、熱鍛模：3Cr2W8V離子滲氮的應用現在是80頁\一共有100頁\編輯于星期二離子滲氮（440℃）離子滲碳（540℃）離子滲氮（460℃）奧氏體不銹鋼低溫離子熱擴滲表面硬化處理現在是81頁\一共有100頁\編輯于星期二奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮前后的X衍射圖現在是82頁\一共有100頁\編輯于星期二奧氏體不銹鋼離子滲氮、滲碳和氮碳共滲的硬度和耐磨性硬化層的硬度梯度耐磨性現在是83頁\一共有100頁\編輯于星期二荷蘭Bodycote公司現在是84頁\一共有100頁\編輯于星期二傳統(tǒng)等離子體熱擴滲的問題邊界效應空心陰極效應打