等离子体热扩渗技术课件

1、等离子体热扩渗技术,刘瑞良 ,等离子体概述,1901年12月12日，发生了一件使当时的科学家们为之一惊的“怪事”。在加拿大的纽芬兰收到了英国人马克尼从英国的康沃尔发出的电讯号。人们在当时怎么也弄不明白，一向以直线传播的无线电波怎么会从康沃尔横越3400公里的大西洋，绕过弯曲的地球表面传到纽芬兰呢？ 这其实是等离子体在作怪！ 英国的物理学家海维赛德和美国电气工程师肯涅利在等离子体概念确立之前就设想大气层的高处有一个带电粒子层（等离子层），无线电波向四面八方传播时，有一部分向地面上空传播，这部分电磁波遇到了高空中的带电粒子层就反射回来传到远处。 英国物理学家阿普顿( E.V. Appleton)用实验证实了高空中电离层的存在，因而他获得了1947年度的诺贝尔物理学奖。,等离子体的发现 诺贝尔奖,什么是等离子体(plasma)？ 所谓等离子体，是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的状态。,等离子体是由大量的自由电子和离子组成且在整体上表现为近似电中性的电离气体。,它与大家熟悉的物质三态(固态、液态和气态)一样，是物质存在的又一种聚集态。所以，人们又把等离子体称为物质第四态，或称为等离子态。

2、,等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,H2O,宇宙中90物质处于等离子体态,人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,等离子体参数空间,等离子体分类,电离气体是一种常见的等离子体,放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体,普通气体,等离子体,需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质 ( 电离度 10-4 ),冷等离子体应用,等离子体的化学过程 刻蚀 化

3、学气相沉积（成膜） 等离子体材料处理 表面改性 表面冶金 光源 冷光源（节能）,低温等离子体应用,热等离子体应用,高温加热 冶金、焊接、切割 材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源 强光源,等离子体军事及高技术应用,军事应用 等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵 高技术 大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进,低温冷等离子体形成方法,真空条件下直流辉光放电 真空条件下的射频辉光放电 真空条件下的微波等离子体 电晕放电 大气等离子体炬 大气条件下的介质层放电,真空条件下的直流辉光放电等离子体,直流辉光放电原理,最简单的直流放电管的结构如图所示。,气体放电装置 其中，A为阳极；B为阴极；G是放电管；V是直流电源；K是开关；R是限流电阻,直流放电的伏安特性,调节电源电压或限流电阻，就会得到下图中的气体放电的伏-安特性曲线。,气体放电的伏-安特性曲线,直流辉光放电区结构,空心阴极辉光放电,射频辉光放电,微波等离子体,电晕放电,电晕放电 (corona discharge)气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。最常见的一种气体放电形式。 在曲

4、率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励 ，因而出现电晕放电引。发生电晕时在电极周围可以看到光亮 ，并伴有咝咝声。 电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。,等离子体炬,电介质层放电,形成条件: 二电极间有绝缘介质存在 交变电场 特点： 1. 高气压 (105-106 Pa) 高电压降 (103-105 V) 低电流密度 (10-2-10-3A/cm2) Te Ti Tg 102 K,HV（a.c.),低温热等离子体形成方法,气体电弧等离子体 金属电弧等离子体 激光等离子体,气体电弧等离子体,真空金属电弧等离子体,激光等离子体,Have a rest!,等离子体热扩渗技术,一、热扩渗相关概念,金属（主要是钢）放在有一定活性的介质（气相、液相或固相）中加热，利用欲渗元素原子的扩散性能，使金属或非金属元素（C、N、B、Al、V等）渗入钢的内部，改变钢表面的化学成分，形成新的合金渗层的热处理工艺。 （注：表面淬火指改变表层的组织） 主要包括： 渗氮（氮化） 渗碳 氮碳共渗（氰化） 碳氮共渗 渗硼 渗铝等,二、

5、基本过程 1、分解 例如： 气体渗氮时常采用氨气分解： 2NH3 3H2+ 2N 渗碳过程的基本反应（可加入催化剂）： Na2CO3 Na2O + CO2 BaCO3 BaO+ CO2 CO2 + C 2CO 2COCO2 + C,2、吸附 主要发生在表面的缺陷处，如：钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子的渗入提供了方便的通道。,（1）物理吸附：没有电子的转移和化学键生成的吸附。物理吸附是可逆的，吸附量随温度升高而下降(线段1)。 （2）化学吸附：有电子交换，组成离子键结合或共价键结合的吸附 (线段2)。化学吸附有选择性，反应速度很快，并随温度升高反应速度明显增大。,3、扩散 表面与内部存在着浓度差，要发生原子迁移现象，被渗元素的原子由浓度高处向低处迁移，发生扩散现象。 纯扩散，可在母相金属中形成无限固溶体（间隙、置换固溶体）,(1) 温度影响 D = D0 e -Q/RT D0为扩散常数，R为气体常数，T为热力学温度， Q为扩散激活能 (2) 浓度的影响，在渗碳及碳氮共渗时，可采用强渗工艺 (3) 晶格类型的影响，C、N原子在体心立方的-Fe中的扩散系数比在面心立方的-Fe中大

6、 (4) 固溶体类型的影响（扩散激活能小） (5) 固溶体中第三元素的影响 (6) 晶粒界面的影响（缺陷） (7) 形变与应力的影响,扩散过程的影响因素,常见热扩渗处理件性能比较 渗碳：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 氮化：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。 氰化：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 渗硼：提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性。 渗硫：提高表面减磨性和抗咬合性。 渗铝：提高表面抗氧化性。 渗铬：提高表面抗氧化性、耐蚀 性和耐磨性。 渗硅：提高表面硬度、耐蚀性及抗氧化性。 渗锌：提高表面抗大气腐蚀性力。,典型热扩渗技术介绍,将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。 工艺流程：锻造正火切削加工渗碳淬火+低温回火精加工,1. 渗碳,渗碳剂： CO或CH4 ，化学分解出C 影响因素： （1）渗碳温度越高，渗层越厚，表面碳含量越高。 （2）保温时间 技术要求： （1）表面碳含量，0.71.05% 耐磨取上限，强韧性要求一定耐磨取下限。 （2）表层硬度，5663HRC,固体渗碳,气体渗碳 优点：生产效率高，渗层质量好，劳动条件好。 缺点：渗层含碳量

7、不易控制，耗电量大。,真空渗碳 新型,渗碳后的热处理： （1）直接淬火低温回火法。 （2）一次淬火低温回火法。 （3）二次淬火低温回火法（细化心部组织，消除渗层的网状碳化物）,渗碳件质量的检验 如：金相实验；硬度测试；剥层化学分析法,2. 渗氮（氮化）,和别的热扩渗技术一样也包括三个过程：分解、吸收、扩散。 渗氮介质：氨气等含氮气体： 2NH33H2+2N,一段渗氮,二段渗碳 （提高温度为550，表层硬度有所降低）,三段渗碳 550 后520 浓度有所变化,3. 碳氮共渗/氮碳共渗,三个阶段： （1）共渗介质分解产生活性碳原子和氮原子。 （2）分解出来的活性碳、氮原子被钢表层吸收，并逐渐达到饱和状态。 （3）钢表面层饱和的碳、氮原子向内层扩散 兼得渗氮和渗碳两者优点。,新型热扩渗技术 等离子体热扩渗技术,等离子体化学热处理，又称离子化学热处理，是利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺。,1、离子渗氮机理 （1） Klbel离子溅射渗氮模型 高能氮离子轰击阴极使Fe溅射出阴极表面，Fe与氮原子结合成FeN，FeN重新沉积在工件表面（背

8、散射），处于亚稳态的FeN按FeN Fe2-3N Fe4N顺序依次分解，分解出的活性N渗入钢内，同时钢表面从外到内形成由Fe2-3N（相）和Fe4N（相）的渗氮层。,离子渗氮,在含氮气体中辉光放电，使N渗入钢的内部。,新的直流离子渗氮模型。,（2） 新的离子渗氮模型,溅射粒子的形貌,溅射粒子的结构,吸附-脱附模型,直流离子溅射下来的纳米粒子照片和粒子的x衍射图。,离子渗氮设备原理图。,2、离子渗氮设备与工艺,双层水冷式结构； 外加热式结构； 保温式结构。,（1） 真空室,（3） 真空系统 由于是低真空，可以采用旋片式机械真空泵。,（2） 电器系统,直流高压电源，01000V连续可调，有灭弧装置。,（1）将清洗好的工件放入离子渗氮炉内，抽真空至1Pa左右； （2）通入少量含氮气体，接通直流高压电源，产生辉光放电； （3）溅射清洗净化被处理工件表面； （4）调整气压和电压，将工件加热到所需要的处理温度（550），开始渗氮； （5）保温一定时间，达到渗氮层要求的厚度； （6）断电、工件在真空中冷至200以下出炉。 渗氮后的工件表面呈银灰色。,3、离子渗氮工艺过程,在590（共析温度）渗氮，随

9、着输入气体的氮势的增加，渗氮层组织自外向内依次为： + +扩散层 扩散层,4、离子渗氮的组织及影响因素,38CrMoAl钢渗氮后表面组织形貌 560oC5h,（1）渗氮温度：随温度升高，渗层厚度增加。550后，相比例增加。 （2）渗氮时间：渗氮初期（30min）渗速远大于气体渗氮速度，随时间延长，渗速减慢，逐渐接近气体渗氮速度。,影响离子渗氮层的主要因素(1),（3）渗氮气体：常用氨、氮气+氢气等气体。 表是38CrMoAl钢在不同气氛中渗氮后，表面氮浓度和化合物层相组成。,影响离子渗氮层的主要因素(2),放电功率越大，渗氮层越厚。,影响离子渗氮层的主要因素(3),（4） 渗氮气压、电压和电流密度：气压对渗氮层厚度有最大值。,（1） 硬度：渗氮层的硬度取决于渗氮温度、钢中合金元素种类和钢种。,5、离子渗氮层的性能,（3） 韧性：渗氮层仅有扩散层的韧性最好，有单相化合物层（或）的次之，+相混合相的最差。 （4） 耐磨性：与其它渗氮方法相比，离子渗氮对滚动摩擦的耐磨性最好。,（2） 疲劳强度：渗氮可以提高工件的疲劳强度，并随扩散层厚度的增加而提高。,常用钢种的离子渗氮工艺,离子渗氮的应用,模具离子渗氮的应用条件及效果,挤塑机螺杆：38CrMoAl； 缸套：灰口铸铁； 曲轴：球墨铸铁； 压铸模、热锻模：3Cr2W8V,离子渗氮的应用,离子渗氮（440）,离子渗碳（540）,离子渗氮（460）,奥氏体不锈钢低温离子热扩渗表面硬化处理,奥氏体不锈钢低温离子渗氮前后的X衍射图,奥氏体不锈钢离子渗氮、渗碳和氮碳共渗的硬度和耐磨性,硬化层的硬度梯度,耐磨性,荷兰Bodycote公司,传统等离子体热扩渗的问题,边界效应 空心阴极效应 打弧,活性屏离子渗氮 装置示意图,活性屏离子渗氮技术,普通离子渗氮 装置示意图,1） 将工件加热到氮化温度的加热源； 2） 从网上溅射下来的粒子是渗氮源。,（1） 活性屏（网）的作用,溅射粒子的形貌,溅射粒子的结构,直流离子渗氮,活性屏离子渗氮

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