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1、表面改性技术概述定义：采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体表面材料的组织结构、性能不同的一种技术。传统表面改性技术有喷丸强化、表面热处理、化学热处理；优质清洁表面工程技术包括等离子体、激光、电子束、高密度太阳能表面处理和离子注入表面改性。1.等离子体表面处理等离子体表面处理概述等离子体：是一种电离度超过0.1%的气体，由离子、电子、中性粒子（原子和分子）的组成。是一种物质能量极高的物质状态，被称为物质第四态。等离子体表面处理概述等离子体获得高温下，利用粒子热运动、电子碰撞、高能粒子等产生；低温下主要方法是气体放电。分类离子渗碳离子渗氮离子碳氮共渗离子渗金属离子渗氮定义：在压力低于
2、105Pa的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。离子渗氮的溅射和沉积理论渗氮层的形成：反应阴极溅射。详细过程：真空炉中,稀薄气体在阴极、阳极间的直流高压下形成等离子体，N+、H+、NH3+等正离子轰击阴极工件表面，轰击的能量可加热阴极，工件发生二次电子发射，同时阴极溅射，从工件上打出C、N、O、Fe等。Fe与阴极附近活性氮原子形成FeN，由于背散射又沉积到阴极表面，FeN分解，FeN-Fe2N-Fe3N-Fe4N，分解出的氮原子大部分渗入工件表面内，一部分返回到离子区。示意图如下：N+H+NH3+材料表面阴极CNOFeFeNFeNFe2NFe
3、3NFe4N离子渗氮的作用离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理方法。离子渗氮成本低,气氛可控,热效率高。离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热作模具钢的表面硬度和耐磨损性能,从而延长模具寿命,防止模具磨损失效。因此离子渗氮是热作模具钢常用的表面处理工艺,在工业上已经得到广泛的应用。实验方法及装置实验装置：自制的活性屏离子渗氮实验装置纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及其影响因素N2-H2或NH3N2活性屏离子渗氮(ASPN)：从活性屏上溅射下来的FexN(x>2~3)粒子在等离子体空间物理吸附了氮,并沉积在工件表面。在一定的温度下,吸附了氮的粒子发生脱附,脱附出的活性氮原子渗入工件内部生成渗氮
4、层。1983年试验方法及装置试样：15mm×15mm×5mm的38CrMoAl钢、25mm×25mm×0.5mm的T2纯铜片。氮气：先经纯化处理以减小氮气中的含氧量及干燥氮气。试验步骤：1、试样和铜片分别用丙酮、酒精清洗后装入炉内。2、将真空室抽至2Pa,然后用氮气冲洗容器三遍,尽量减少容器中的残余空气及炉壁吸附的气体。3、实验分别在600、800、1000和1200V电压下进行,渗氮温度540℃,渗氮时间6h。金相组织由图2所示的金相照片可知,38CrMoAl钢在600V进行纯氮ASPN处理后观察不到明显的渗氮层;电压高于800V后才能形成明显的渗氮层,见图2(b)、(c)。显微
5、硬度分析维氏硬度计试件允许最大高度：130毫米放电电压在600V时几乎没有渗氮效果,在高于800V才有明显的渗氮硬化效果,而且渗氮层较深,与金相组织相对应。粒子的表面形貌分析图4(a)与图4(b)粒子尺寸在数十至数百纳米范围内,但粒子形状不一样,图4(b)中粒子形状更规则,呈正多边形。铜片上沉积粒子的X射线衍射分析1、当处理电压为600V时,沉积的粒子是铁的氧化物(Fe3O4)和少量的铁的氮化物(γ′-Fe4N、ε-Fe3N)。当处理电压高于800V后,这些粒子则是铁的氮化物(γ′,ε少量)和少量的氧化物,并且随着电压的升高,γ′增多,ε和Fe3O4减少。电压达到1000V时,粒子
6、中几乎没有氧化物存在。Fe3O4？由于离子渗氮是在低真空度下进行的,真空炉内残留少量空气,炉壁也吸附了少量水蒸气或空气。在离子渗氮处理过程中,600V时活性氮少,O被激活,Fe原子优先与O结合形成铁的氧化物,炉内残余的氧起主导作用。氮原子的产生：分两步，N2N2++e(24.5eV)，N2+N++N(49eV)。1、放电电压低于600V时,N2+在一个平均自由程里所获得的电场能小于49eV,等离子空间活性氮很少,没有离子渗氮的氮源,所以渗氮效果甚微。2、放电电压高于800V时,N2+在一个平均自由程里所获得的电场能为75.22eV,超过了49eV,可以通过碰撞裂解产生大量的活性氮原
7、子。这些高能氮原子在活性屏附近与铁原子结合成FexN,活性屏被氮化。3、从活性屏上溅射下来的FexN在向工件运输过程中吸附了大量的氮原子,当粒子沉积于试样表面后,吸附了的氮在一定的温度条件下开始脱附成为活性氮原子,脱附出的活性氮原子向工件内部渗入形成了渗氮层。结论(1)电压较低时,氧对活性屏离子渗氮处理有重要影响,铁主要与氧结合生成了大量的氧化铁而不能进行活性屏离子渗氮处理。(2)放电电压高于800V后,铁与氮的结合能力较强时才主要生成氮化铁进行活性屏离子渗氮处理,并
