等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)

等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)劉瑞良liuruiliang@現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二等離子體概述現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二1901年12月12日，發(fā)生了一件使當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們?yōu)橹惑@的“怪事”。在加拿大的紐芬蘭收到了英國(guó)人馬克尼從英國(guó)的康沃爾發(fā)出的電訊號(hào)。人們?cè)诋?dāng)時(shí)怎么也弄不明白，一向以直線傳播的無(wú)線電波怎么會(huì)從康沃爾橫越3400公里的大西洋，繞過(guò)彎曲的地球表面?zhèn)鞯郊~芬蘭呢？這其實(shí)是等離子體在作怪??！英國(guó)的物理學(xué)家海維賽德和美國(guó)電氣工程師肯涅利在等離子體概念確立之前就設(shè)想大氣層的高處有一個(gè)帶電粒子層（等離子層），無(wú)線電波向四面八方傳播時(shí)，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(lái)傳到遠(yuǎn)處。英國(guó)物理學(xué)家阿普頓(E.V.Appleton)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(xué)獎(jiǎng)。等離子體的發(fā)現(xiàn)

—諾貝爾獎(jiǎng)現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二什么是等離子體(plasma)？所謂等離子體，是指正負(fù)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(xiàn)為近似電中性的電離氣體。它與大家熟悉的物質(zhì)三態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))一樣，是物質(zhì)存在的又一種聚集態(tài)。所以，人們又把等離子體稱為物質(zhì)第四態(tài)，或稱為等離子態(tài)?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二等離子體是物質(zhì)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(xiàn)在是5頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二宇宙中90％物質(zhì)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(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)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(yuǎn)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(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)日冕、太陽(yáng)內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無(wú)例外的都是等離子體?，F(xiàn)在是6頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二地球上，人造的等離子體也越來(lái)越多地出現(xiàn)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(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二密度(cm-3)溫度(oC)太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)等離子體參數(shù)空間現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(yáng)核心高溫

等離子體低溫

等離子體現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(zhuǎn)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(zhì)(電離度>10-4)現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二冷等離子體應(yīng)用等離子體的化學(xué)過(guò)程刻蝕化學(xué)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(yīng)用現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二熱等離子體應(yīng)用高溫加熱冶金、焊接、切割材料合成、加工陶瓷燒結(jié)、噴涂、三廢處理光源強(qiáng)光源現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用軍事應(yīng)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(shù)大功率微波器件、X射線激光、強(qiáng)流束技術(shù)、等離子體推進(jìn)現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(zhì)層放電現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xiàn)在是15頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二最簡(jiǎn)單的直流放電管的結(jié)構(gòu)如圖所示。氣體放電裝置其中，A為陽(yáng)極；B為陰極；G是放電管；V是直流電源；K是開關(guān)；R是限流電阻現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二直流放電的伏安特性調(diào)節(jié)電源電壓或限流電阻，就會(huì)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(xiàn)在是17頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二直流輝光放電區(qū)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二空心陰極輝光放電現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二射頻輝光放電配電箱RF電源氣體真空室現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二微波等離子體GasMicrowave2.45GHzQuartzWindowSubstrateHolderECRPlasmaMagneticCoils現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二電暈放電電暈放電(coronadischarge)氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而出現(xiàn)電暈放電引。發(fā)生電暈時(shí)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(duì)穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場(chǎng)間隙擊穿過(guò)程中的早期發(fā)展階段?，F(xiàn)在是38頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二等離子體炬現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二電介質(zhì)層放電現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二形成條件:二電極間有絕緣介質(zhì)存在交變電場(chǎng)特點(diǎn)：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(xiàn)在是41頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二低溫?zé)岬入x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(xiàn)在是42頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(yáng)極噴管現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xiàn)在是44頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二激光等離子體LaserplumeLaserbeamSubstrateVacuumsystemGasRotatingtarget現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二Havearest!現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二一、熱擴(kuò)滲相關(guān)概念金屬（主要是鋼）放在有一定活性的介質(zhì)（氣相、液相或固相）中加熱，利用欲滲元素原子的擴(kuò)散性能，使金屬或非金屬元素（C、N、B、Al、V等）滲入鋼的內(nèi)部，改變鋼表面的化學(xué)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(xiàn)在是48頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二二、基本過(guò)程1、分解例如：氣體滲氮時(shí)常采用氨氣分解：2NH3

→3H2+2[N]滲碳過(guò)程的基本反應(yīng)（可加入催化劑）：Na2CO3

→Na2O+CO2

BaCO3

→BaO+CO2CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(cuò)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(méi)有電子的轉(zhuǎn)移和化學(xué)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(xué)吸附：有電子交換，組成離子鍵結(jié)合或共價(jià)鍵結(jié)合的吸附(線段2)?；瘜W(xué)吸附有選擇性，反應(yīng)速度很快，并隨溫度升高反應(yīng)速度明顯增大?，F(xiàn)在是50頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二3、擴(kuò)散

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

e-Q/RT

D0為擴(kuò)散常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，Q為擴(kuò)散激活能(2)濃度的影響，在滲碳及碳氮共滲時(shí)，可采用強(qiáng)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(kuò)散系數(shù)比在面心立方的γ-Fe中大(4)固溶體類型的影響（擴(kuò)散激活能?。?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(yīng)力的影響擴(kuò)散過(guò)程的影響因素現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二常見熱擴(kuò)滲處理件性能比較滲碳：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。氮化：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。氰化：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)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(xiàn)在是53頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二典型熱擴(kuò)滲技術(shù)介紹將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學(xué)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(xiàn)在是54頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二滲碳劑：CO或CH4，化學(xué)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(shí)間技術(shù)要求：（1）表面碳含量，0.7～1.05%耐磨取上限，強(qiáng)韌性要求一定耐磨取下限。（2）表層硬度，56～63HRC現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二固體滲碳現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二氣體滲碳優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，滲層質(zhì)量好，勞動(dòng)條件好。缺點(diǎn)：滲層含碳量不易控制，耗電量大。現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二真空滲碳新型現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xì)化心部組織，消除滲層的網(wǎng)狀碳化物）滲碳件質(zhì)量的檢驗(yàn)如：金相實(shí)驗(yàn)；硬度測(cè)試；剝層化學(xué)分析法現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二2.滲氮（氮化）和別的熱擴(kuò)滲技術(shù)一樣也包括三個(gè)過(guò)程：分解、吸收、擴(kuò)散。

滲氮介質(zhì)：氨氣等含氮?dú)怏w：2NH3→3H2+2[N]現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二一段滲氮現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xiàn)在是62頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二三段滲碳550℃后520℃濃度有所變化現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二3.碳氮共滲/氮碳共滲三個(gè)階段：（1）共滲介質(zhì)分解產(chǎn)生活性碳原子和氮原子。（2）分解出來(lái)的活性碳、氮原子被鋼表層吸收，并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。（3）鋼表面層飽和的碳、氮原子向內(nèi)層擴(kuò)散兼得滲氮和滲碳兩者優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在是64頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二新型熱擴(kuò)滲技術(shù)

—等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)等離子體化學(xué)熱處理，又稱離子化學(xué)熱處理，是利用稀薄氣體的輝光放電現(xiàn)象加熱工件表面和電離化學(xué)熱處理介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在金屬表面滲入欲滲元素的工藝?，F(xiàn)在是65頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二1、離子滲氮機(jī)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，F(xiàn)e與氮原子結(jié)合成FeN，F(xiàn)eN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(nèi)，同時(shí)鋼表面從外到內(nèi)形成由Fe2-3N（ε相）和Fe4N（γ′相）的滲氮層。離子滲氮在含氮?dú)怏w中輝光放電，使N滲入鋼的內(nèi)部?，F(xiàn)在是66頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(jié)構(gòu)吸附-脫附模型直流離子濺射下來(lái)的納米粒子照片和粒子的x衍射圖。現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二離子滲氮設(shè)備原理圖。2、離子滲氮設(shè)備與工藝現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二

雙層水冷式結(jié)構(gòu)；

外加熱式結(jié)構(gòu)；

保溫式結(jié)構(gòu)。（1）真空室現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(jī)械真空泵。（2）電器系統(tǒng)直流高壓電源，0～1000V連續(xù)可調(diào)，有滅弧裝置?，F(xiàn)在是70頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二（1）將清洗好的工件放入離子滲氮爐內(nèi)，抽真空至1Pa左右；（2）通入少量含氮?dú)怏w，接通直流高壓電源，產(chǎn)生輝光放電；（3）濺射清洗凈化被處理工件表面；（4）調(diào)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(shí)間，達(dá)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(guò)程現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二在<590℃（共析溫度）滲氮，隨著輸入氣體的氮?jiǎng)莸脑黾?，滲氮層組織自外向內(nèi)依次為：

→+‘→‘+擴(kuò)散層→α擴(kuò)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(xiàn)在是72頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(shí)間：滲氮初期（<30min）滲速遠(yuǎn)大于氣體滲氮速度，隨時(shí)間延長(zhǎng)，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(xiàn)在是73頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二（3）滲氮?dú)怏w：常用氨、氮?dú)?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(xiàn)在是74頁(yè)\一共有100頁(yè)\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?dú)鈮?、電壓和電流密度：氣壓?duì)滲氮層厚度有最大值。現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xiàn)在是76頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二（3）韌性：滲氮層僅有擴(kuò)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(duì)滾動(dòng)摩擦的耐磨性最好。（2）疲勞強(qiáng)度：滲氮可以提高工件的疲勞強(qiáng)度，并隨擴(kuò)散層厚度的增加而提高?，F(xiàn)在是77頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二常用鋼種的離子滲氮工藝現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二離子滲氮的應(yīng)用模具離子滲氮的應(yīng)用條件及效果現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二擠塑機(jī)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(yīng)用現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(kuò)滲表面硬化處理現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xiàn)在是82頁(yè)\一共有100頁(yè)\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(xiàn)在是83頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二荷蘭Bodycote公司現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有100頁(yè)\編輯于星期二傳統(tǒng)等離子體熱擴(kuò)滲的問(wèn)題邊界效應(yīng)空心陰極效應(yīng)打