2.等离子体热扩渗技术

二、基本过程
1、分解
例如： 气体渗氮时常采用氨气分解： 2NH3 →3H2+ 2[N] 渗碳过程的基本反应（可加入催化剂）： Na2CO3 →Na2O + CO2 BaCO3 →BaO+ CO2 CO2 + C →2CO 2CO→CO2 + [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。
• 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
（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）
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
配电箱
气体
RF 电源
真空室
微波等离子体
Microwave 2.45 GHz Magnetic Gas Coils Quartz Window
D = D0 e -Q/RT D0为扩散常数，R为气体常数，T为热力学温度，
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。
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。
离子渗氮
在含氮气体中辉光放电，使N渗入钢的内部。
1、离子渗氮机理
（1） Kölbel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 （ε相）和 Fe4N （γ′相）的 渗氮层。
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：
2NH3→3H2+2[N]
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。
等离子体称为物质第四态，或称
为等离子态。
等离子体是物质第四态
H2O
固体
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
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。
扩散过程的影响因素
(1) 温度影响
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α-Fe中的扩散系数 比在面心立方的γ-Fe中大 (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
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。
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
等离子体热扩渗技术
刘瑞良 liuruiliang@hrbeu.edu.cn
等离子体概述
等离子体的发现 —诺贝尔奖
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。
1eV
电离气体是一种常见的等离子体
普通气体
等离子体
放电
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
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 )
低温等离子体应用
冷等离子体应用
等离子体的化学过程 – 刻蚀 – 化学气相沉积（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） •
3、离子渗氮工艺过程
（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。
ECR Plasma
Substrate Holder
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
HV（a.c.)
形成条件: 1. 二电极间有绝缘介质存在 2. 交变电场 特点： 1. 高气压 (105-106 Pa) 2. 高电压降 (103-105 V) 3. 低电流密度 (10-2-10-3A/cm2)
4. Te >> Ti Tg
102 °K
低温热等离子体形成方法
（2） 新的离子渗氮模型
直流离子溅射下来的纳米粒子照片和粒子的x衍射图。 新的直流离子渗氮模型。
溅射粒子的形貌
溅射粒子的结构 吸附-脱附模型
2、离子渗氮设备与工艺
离子渗氮设备原理图。
（1） 真空室 双层水冷式结构；
外加热式结构；
保温式结构。
（2） 电器系统
直流高压电源，0～1000V连续可调，有灭弧装置。 （3） 真空系统 由于是低真空，可以采 用旋片式机械真空泵。
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
气体
弧根
等离子体 喷口
阳极喷管
真空金属电弧等离子体
阴极Leabharlann Baidu
出发电压
Plasma and other particles 电磁阀管道
激光等离子体
Laser beam
Substrat e
Laser plume
Rotatin g target
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
等离子体参数空间
温度 (oC)
氢弹 星 云 磁约束 聚 变 惯性聚变
日冕
太阳风 霓虹灯
太阳核心 闪电
星际空间
荧光 北极光 火 焰
气体 液 体 固 体
人类居住环境
密度(cm-3)
等离子体分类
极光、日光灯 电弧、碘钨灯
冷等离子体 Te≠Ti, Ta
热等离子体 Te＝Ti, Ta
聚变、太阳核心
低 温 高 温 等离子体 100000C 等离子体 电子温度
Vacuum system
Gas
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
4、离子渗氮的组织及影响因素
在<590℃（共析温度）渗氮，随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 → α扩散层
38CrMoAl钢渗氮后表面组织形貌 560oC×5h
影响离子渗氮层的主要因素(1) （1）渗氮温度：随温度升高，渗层厚度增加。<550℃，随温度 提高，‘相比例增加；>550℃后，相比例增加。
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
（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(2) （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。
表 3—8 38CrMoAl 钢经不同处后的相组成 气氛组成 渗氮工艺 1/9 550℃×6h N2/H2 2/8 550℃×6h 5/5 550℃×6h 9/1 550℃×6h NH3 550℃×6h NH3 分解气 气体渗氮 550℃×6h 530℃×16h+560℃×45h 氮浓度(％) 3.2 5.6 6.3 7.6 6.7 4.8 7.6 相组成 γ '(薄) γ '+ ε (薄) γ '+ ε γ '+ ε γ '+ ε γ '+ ε ε +γ '
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
典型热扩渗技术介绍
1. 渗碳
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
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，0.7∼1.05% 耐磨取上限，强韧性要求一定耐磨取下限。 （2）表层硬度，56∼63HRC