等离子体在材料工程中的应用（9个） - 图文

三.结论

（1）通过实验研究，得到了低温空气等离子体对纸张表面亲水性改性的一般规律：在一定的条件和范围内，随着处理电压的增大，纸张亲水性先提高后下降；随着处理真空度的增大，纸张亲水性先提高后稍有下降。

（2）通过实验研究，了解到低温空气等离子体对纸张表面亲水性改性的机理：低温等离子体作用于材料表面存在两个竞争关系的反应，一是含氧基团的引入；二是表面刻蚀作用引起含氧基团的脱落。

（3） 通过采用双探针测量电子温度和等离子体浓度，了解到有以下关系：在一定的条件和范围内，电子温度大，纸张表面亲水性变好；等离子体浓度随电压增大而增大，但与亲水性的改性无直接联系。

（4）通过实验研究，得到了低温空气等离子体对纸张表面亲水性改性的最佳工艺条件：处理时间2min，处理电压400V－550V，处理真空度60Pa－80Pa。

（5）通过实验，验证了直流辉光等离子体仪装置的研制成功以及低温等离子体对纸张进行表面改性的可行性。此实验可用于高校相关专业开设等离子体物理实验课程。

思考题：

实验九 等离子体渗氮硬化金属表面实验( 3.19 修改) 背景知识：

渗氮是一种以氮原子渗入金属或合金工件表面，形成一层以氮化物为主的渗层的化学热处理方法。渗氮有三个基本过程：活性氮原子的产生、表面的吸收和氮原子的扩散。

利用渗氮工艺对金属进行表面改性可以显著提高某些金属材料（如不锈钢、铝及铝的合金等）的硬度、耐腐蚀、抗磨擦、抗氧化、抗疲劳、热稳定等性能，通过这些性能的提高可以极大地扩大这些金属材料的应用领域。由上述种种优点，人们很早就展开了对渗氮工艺的研究。自20世纪20年代开始研究渗氮技术，20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从20世纪70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，渗氮工艺已被广泛应用于生产实践中，成为重要的化学热处理工艺之一。但为了满足生产技术不断发展的需要，渗氮工艺仍在不断地发展与完善。

1 渗氮工艺的研究概况

自俄国冶金学家D.K.切尔诺夫1868年发现钢在加热和冷却过程中有组织转变，F.奥斯蒙德用热分析法确定了钢的相变临界点温度以及合金状态图的建立以来，热处理从工匠手艺发展为科学技术只有百余年历史。在这段历史中，无论是作为热处理基础的物理冶金理论还是实用生产技术都取得了辉煌成就，20世纪初，人们发现钢铁在氨气中加热能提高表面硬度和耐腐蚀性能，发明了气体渗氮工艺；20世纪20年代，德国A.Frg提出专门的渗氮用钢将渗氮工艺用于工业生产；德国B.Berghous和美国J.J.Egan于20世纪30年代初先后提出在气体放电中进行渗氮法，并取得了专利权。20世纪50年代，出现了在氰化物和氰酸盐混合盐浴中通入空气的盐浴软氮化法。为了解决气体渗氮生产周期长、渗层脆性大，以及盐浴软氮化的氰盐毒害问题，20世纪60～70年代工业生产中相继出现了离子渗氮法和气体氮碳共渗法。在二次世界大战期间，用此工艺处理过炮管。到20世纪50年代，西德致力于研究和应用离子渗氮技术，1967年实现了工业应用。有广泛工业应用前景的渗氮工艺也激起了学术界的研究热潮，1987年，在法国首次举行了国际离子热处理学术讨论会。

等离子体渗氮由于速度快、生产周期短、变形小、局部渗氮方便、渗氮成本低、节电、污染小等一系列优点，80年代中期以来已广泛应用在机床制造、交通运输机械、动力机械、轻工机械、医疗机械和航天机械等领域。该项工艺对需要耐疲、耐磨损的零部件进行处理取得了良好的效果。我国离子渗氮的研究起步较早，开始于20世纪60年代末，发展很快，在设备、工艺、性能检测和基础理论等方面，进行了广泛的研究。目前我国已有离子化学热处理设备上千台，并有系列产品广泛应用，取得了明显的技术和经济效益。总的说来，在该技术领域我国已跻身于国际先进水平行列。

2 离子渗氮

离子渗氮是目前工业上应用最广最成熟的离子热处理工艺。离子渗氮又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。

离子渗氮克服了常规气体氮化工艺周期长和渗层脆等严重缺点，具有以下优点： 可适当缩短渗氮周期； 渗氮层脆性小；

可节约能源和氨的消耗量；

对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；

离子轰击能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮； 渗层厚度和组织可以控制。

因此离子氮化在国内外得到推广和应用，其缺点是存在温度不均匀性等问题。 离子氮化工艺易通过调整工艺参数(电压、电流、炉内气体压强、温度、时间和工作气体成分等)，可获得纯扩散层单相(γ′或ε相)化合物层等，可进行低温(400～500℃)离子渗氮，以及对奥氏体不锈钢无需预处理便可进行离子渗氮。目前，离子渗氮技术的关键是如何根据其特点结合工件服役条件，合理选取工艺参数，获得所需的最佳渗层，以期充分提高离子渗氮效能与成本之比。例如，要求尺寸变形小，表面硬度高的精密零件，或同时要求耐磨损又抗腐蚀的奥氏体不锈钢，则宜选低温离子渗氮，对渗层脆性要求很小的，则可采用获得纯扩散层的工艺。

离子渗氮技术正向着更加完善和更加广阔的领域发展。该工艺的进展有两大方向：一是扩大应用范围，如工具、模具、钛合金、铝合金粉末、冶金以及不锈钢(奥氏体、马氏体型等)的离子渗氮工艺的开发应用；二是重点开发离子渗氮与其它工艺的复合处理，如离子渗氮-PCVD复合处理，离子-渗氮氧化复合处理，离子氮化-电刷镀复合处理，离子渗氮激光复合处理等等。此类复合处理在今后将被作为新的表面处理技术，在工件模具中受到越来越广泛的应用。

3 影响渗氮工艺的因素

氮化工艺的制定，必须综合考虑各个工艺环节的影响，当零件表面没有污物时，对氮化物的生成有重要影响的因素有温度、保温时间，不同加热、保温阶段渗氮罐内的渗氮介质的氮势（由分解率表示），这三个主要的工艺参数直接影响到工件氮化层的硬度、深度及工件的使用性能，因此在生产中必须加以控制。 3.1 渗氮温度对渗氮层深、硬度及耐磨性的影响

氮化温度是重要的工艺参数，图1-1说明了温度对38CrMoAlA钢的渗氮层深度