精选表面热处理

1、表 面 热 处 理外表热处理分类外表淬火：只改变表层的组织而不改变表层的化学成分。 包括火焰加热外表淬火、高中频加热外表淬火、接触电加热外表淬火、电解液加热外表淬火、激光电子束加热外表淬火等；化学热处理：既改变表层化学成分又改变表层组织。包括渗碳、氮化、氰化、渗硼、渗金属等。外表涂覆技术：复习：1、钢的普通热处理包括哪些工艺? 正火、退火、淬火和回火，统称“四把火。2、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？ 淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。 调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。3、什么是钢的淬透性？ 钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。截面较大、形状复

2、杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。在生产中，有很多零件要求外表和心部具有不同的性能，一般是外表硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。心部：硬度低，韧性高外表：硬度高，耐磨仅对钢的外表加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为外表热处理, 也叫外表淬火。化学热处理：是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的外表，改变其化学成分和组织，到达改良外表性能，满足技术要求的热处理过程。按照实现方式，外表淬火可分为： 感应加热外表淬火 火焰加热外表淬火 HYPERLINK file:/D:王学武金工素材rc

3、lx_4.avi t _parent 激光加热外表淬火感应加热外表淬火原理：感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。假设把工件置于磁场中，那么在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件外表的电流密度大，而中心几乎为零。工件外表温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。名称频率HZ淬硬深度mm)适用零件高频感应加热1001000K0.22中小型，如小模数齿轮，直径较小的圆柱型零件中频感应加热5

4、001000028中大型，如直径较大的轴，大中等模数的齿轮工频感应加热501015 以上大型零件，如直径大于300mm 的轧辊及轴类零件1、一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的外表硬化，提高耐磨性2、为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。3、感应加热淬火零件的加工工艺路线为：下料-锻造-调质或正火-切削加工-感应加热淬火+低温回火-精加工-检验4、高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度Ac3以上80150)进行的, 因此晶核多, 且不易长大，组织细小。5、 外表层淬得马氏体后, 由于体积膨胀在工件外表层造成较大的剩余压

5、应力, 显著提高工件的疲劳强度。6、因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。7、加热温度和淬硬层厚度从外表到半马氏体区的距离容易控制，便于实现机械化和自动化。 8、工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造火焰加热外表淬火火焰加热外表淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件外表，进行淬火。 火焰加热外表淬火和高频感应加热外表淬火相比，具有设备简单，本钱低等优点。但生产率低，零件外表存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件如大型齿轮、轴、轧辊等的外表淬火。真空热处理：在低于一个大气压的环境中进

6、行加热的热处理工艺。真空实际上是气体较稀薄的空间。 在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态，统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。 1958年第一届国际技术会议曾建议采用“托(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。 我国也按SI规定，把压力的法定计量单位规定为Pa(帕)。l标准大气压(1atm)1.013X105 Pa(帕) 1Torr1/760atm=1mmHg 1Torr133Pa1Pa7.5X10-3Torr真空区域压力值 / Pa低真空105-102中真空102-10-1高真空10-1-10-5超高真空C十2H22

7、)活性原于被钢外表吸附并吸收：3)活性原子沿着浓度梯度下降的方向，在钢内扩散优点：层深与外表浓度可控、产生一个有一定深度的硬度平台、有效渗层深度与总渗层深度之比为0.6-0-75之间，比常规渗碳的高真空渗碳：工艺周期短、气体消耗量小、渗层质量好、工件变形小、污染小、自动化程度高；吸收阶段：观点一：在渗碳时，工件外表与渗碳气氛之间直接发生化学反响在外表形成一层薄的渗碳体，然后薄层渗碳体分解出碳原于并向内部扩散，最终形成渗层。观点二：渗碳介质在高温下分解出的活性碳原子吸附在工件的外表并溶入奥氏体中。观点三：渗碳介质中某些化合物被净化过的工件外表所吸附，在外表形成不同的外表结构、并使其原子间结合力发

8、生变化，以至和介质中的其他物质发生反响，生成原子态元素。这些新的原子态元素将被工件外表吸收。扩散阶段：渗入元素的原子被吸收并溶入基体金属中，由金属外表向纵深扩散(内扩散)，有些还发生反响扩散形成新相，从而构成具有一定深度工艺参数： 温度 可高于普通气体渗碳、真空度 、 时间、渗层工艺过程： 零件清洗 、零件摆放 、升温与均热 慢 均温阶段、渗碳与扩散、冷却外热式真空热处理炉 内热式真空热处理炉什么是等离子体? 物质的状态是可以变化的，在一定温度和压力条件下固、液、气三态的相互转变早已为人们所熟知假设采取某种手段，如加热、放电等，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度到达一定数值时，物质

9、状态便又出现新变化，这时的电离气体己不再是原来的气体了在组成上，电离气体与普通气体明显不同后考是由中性的分子或原子组成的，前者那么是带电粒子和中性粒子组成的集合体。更重要的是在性质上，这种电离气体与普通气体有着本质区别： 首先，它是一种导电流而又能在与气体体积相比较的宏观尺度内维持电中性 其二，气体分子问并不存在净电磁力，而电离气体中的带电粒子间存在库仑力，由此导致带电粒子群的种种集体运动 再者，作为一个带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配，等定义1: 包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。定义2: 等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。定义3：等离子体是包含足

10、够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。简而言之，等离子体就是指电离气体。它是电子、离于、原子、分子或自由甚等粒子组成的集合体1). 天然等离子体闪电、极光、电离层、2). 人工等离子体日光灯、霓虹灯中的放电1). 完全电离等离子体 = 1 2). 局部电离等离子体 0.01 13). 弱电离等离子体 10 -6 0.01等离子与外表相互作用的根本特点用的根本特点入射粒子非弹性碰撞效应反冲注入 注入溅射粒子：M0、M+、M-、Mn光子基材M通道注入二次电子X-射线反射粒子 I0、I+、I-、In弹性碰撞效应电子与原子、分子间的碰撞过程 低温等离子体的产生方式辉光放电的本质：两极间电压

11、到达点燃电压时，残存于真主室内的稀薄气体中的电子和离子在此外加电场的作用下定向运动，并积蓄有足够的能量。这些电子和离于在运动过程中与气体分子发生碰撞而使气体分子电离，同时碰撞后的气体分子或原子处于激发状态，它要释放能量，因而发出辉光。使气体由良绝缘体变成良导体的现象称为气体放电。气体放电的必要条件是气体中带电粒子的存在和一定电场强度的存在。由于宇宙射线的作用会使气体中某些原子被电离，因此气体中总是存在着微量的电子和离子的。在有电场存在的情况下，微量的带电粒子会发生定向运动。运动中要与中性气体原子发生碰撞从而出现各种现象。电子与气体的碰撞激发和电离 ：当运动中的电子和气体原子相撞时，会把能量传给

12、原子，从而使原子中的电子从正常能级跃迁到较高能级，成为不稳态或亚稳态的受激原子。按碰撞能量的不同，可升高到的能级也不同，称为一次、二次、三次激发，相应的电位差，分别称为第一、第二、第三激发电位。受激电子会很快返基态10-210-10s内，把能量hh为普朗克常数，为频率以光子形式辐射出来而产生辉光，辉光的颜色由频率而定，如空气为粉红色、氢为淡蓝色、氨为紫蓝色、丙酮为蓝色等等。随电场强度的增加，电子的运动速度增大，当大到一定程度时，会使所撞的原子中的某个电子飞离原子，或者说把基态电子激发n=能级上，这种现象称为电离。正离子轰击阴极时的二次电子发射 ：当正离子以一定的速度到达阴极时，首先要捕获阴极外

13、表上的电子而成为中性粒子，进向通过轰击作用，把多余的动能传递给金属的自由电子，使其从外表逸出，称为阴极二次电子发射。用二次电子发射系数定量表示平均每个与阴极碰撞的正离子所能溅射出电子数目的多少。二次电子发射对离子轰击渗镀是一个重要过程。带电粒子在气体放电中的复合与中和 ：在气体放电过程中，既有上述的碰撞电离过程，也有带电粒子获得异电荷成为中性粒子的消电离过程。消电离的根本方式是复合和中和。复合是带电离子相遇而消失电荷，中和是带电粒子进人电极而消失电荷。正离子受阴极的吸引，进入阴极,除产生二次电子发射外，还可使阴极的金属原子发生溅射，相当一局部能量被转变成热能，用于阴极的加热。辉光放电装置 1黑

14、暗放电与雪崩放电 (OAB、BC2起辉 C3正常辉光放电：气体放电在起辉之后，电流会突然上升、电压也会迅速降低，此过程称之为崩溃，相当曲线CD段。D对应电压是点燃电压的最低值。崩溃的原因是由于二次电子的大量发射，引起气体的大量电离，产生大量的电子和正离子，导致空间电荷重新分布的结果。图中的DE曲线段称为正常辉光放电区，此时阴极外表出现了辉光，且极间电流可在电压不变的情况下增加，这实质上是辉光覆盖面积的扩展的结果。因为在气压和温度一定的条件下，阴极单位面积上发射的二次电子数目是一定的，即电流密度不变。4异常辉光放电 当整个阴极都被辉光覆盖后，如果还希望进一步提高电流，那么必须提高极间电压，这种放

15、电特性称为异常辉光放电，相当于曲线EF段。 异常辉光放电区，具有比较高的电流强度，是离子轰击渗扩的实际采用区。5弧光放电区随极间电压的升高，辉光电流会不断增强，当到达或超过VF时，电流会突然增大，极间电压也突然降低，相当于短路。此时辉光熄灭，而在阴极很小的面积上产生了强烈的弧光，称为弧光放电。弧光放电的电流要远比辉光放电大。弧光放电会将工件局部熔化，对真子轰击渗扩不利，必须注意防止，一旦出现要尽快灭弧。辉光放电光区1、阿斯顿暗区2、阴极辉区3、克鲁克斯暗区4、负辉区5、法拉第暗区6、阳极光柱区7、阳极暗区8、阳极辉区1、阿斯顿暗区 该区是紧靠阴极外表的一个薄层无光区域。由于从阴极外表被轰击出来

16、的二次电子刚离开阴极时速度很小，其能量仅为leV量级，缺乏以激发气体原子使其发光，而形成暗区。2、阴极辉区二次电子离开阴极后经过一段加速，己具有一定的能量，当运动中的电子与气体原于发生碰撞时，会把能量传递给原子，使原子中的电子从正常能级跃升到较高能级，原子被激发成为不稳态或亚稳态的受激原于。原于中的电子受激后会很快(1021010s)返回基态，同时把能量以先子的形式辐射出来而产生辉光。3、克鲁克斯暗区电子穿过阴极辉区以后，被电场加速而具有很大的动能。此种电子运动速度过大，其能量未能充分传递就飞离了原于，引起碰撞激发成电离的时机不太多、所以出现了一个辉光极弱的暗区，由于电子的质量小，运动速度大，

17、可迅速飞离阴极暗区。而奔向阴极的正离子的质量大，运动速度小，会在该区形成正离子堆积，所以在该区内形成了一个正电荷层。正电荷层起等效阳极的作用。它与阴极之间形成阴极性降区：经测定，阳极与阴极之间的电位降大局部集中在阴极位降区，阴极位降区的宽度用dk表示.4、负辉区 由于克鲁克斯暗区实际是个几乎不发光的正电荷层，穿过此层后，电场会使电子减速，速度减到一定程度的电子会对气体粒子产生强烈的激发和电离，产生大量正离子以及电子与离子的复合。复合后，电子多余的能量也以光量子的形式辐射出来。激发发光和复合发光的结果形成特别明亮的负辉区。5、法拉第暗区 由于大局部电于已在负辉区损失了许多能量，速度减到更低，缺乏

18、以引起激发、所以又出题一个光度极弱的暗区，称为法拉第暗区。6、阳极光柱区 低速电子通过法拉第暗区之后，又被电场加速而具有了激发和电离中性粒子的能量，导致一个光强较大且较宽的区域，称为阳极光柱区。因此区正离于的密度和电子的密度几乎相等，所以是一个等离子区。等离子区今带电粒子的密度一般可达1010-1012cm-3，在气体放电中起传导电流的作用，即等离子体区起良导体的作用。 阳极暗区和阳极辉区：阳极暗区和阳极辉区不一定同时出现，而且两区产生的顺序也不是固定的。如果穿过阳极光柱区后的电子速度很低，能量很小，不能碰撞阳极前的气体使其激发或电离那么将先出现阳极暗区，而后电子被阳极电场加速到一定能量而激发

19、或电离发光，成为阳极辉区。如果在阳极附近聚集浓度较高的正离于，在阳极的面出现电位突起电位降可使电子先产生辉光，而后能量降低出现阳极暗区。阴极放电长度：前四个区是维持气体放电的重要条件、其宽度称为阴极放电长度Dk。 当dDk时，放电的阴极局部(前五个区)是不变的。换言之，随着距离d的缩短，阳极局部逐渐缩短。 当dDk时，阳极局部完全消失。 使dDk，那么放电立即停止。 所以，dDk是维持辉光放电的必要条件。在生产中，常借助此原理进行间隙屏蔽、般间隙宽度为1mm左右。在离子化学热处理中、Dk的大小不仅与气压有关、还与电流密度有关。当气压较高时，阴极位降区Dk长度较小即辉光层较薄，当气压降低时Dk会

20、变长，电流密度减小。在离子渗氮中、一般气压较高，电流也大，阿斯顿暗区、克鲁克斯暗区不太明显，好似整个阴极被一层辉光笼罩，因此辉光层的厚度近似为Dk。在操作中往往可通过辉光层的厚度来大致估计炉内气体压力的上下辉光放电的特点：(1)辉光放电辉光颜色，因气体介质不同而小同。氢的辉光呈淡蓝色，氮气的呈紫红色，氨气的呈蓝紫色。(2)辉光放电是高电压、小电流的放电，AR公离子渗氯中，辉光放电电压在500700V，电流密度为0.5-15mAcm2。(3)辉光放电气压很低，离子渗氯时气压力1.33xl02-103Pa。(4)辉光放电过程主要是靠阴极上发射电子来维持的。特别关注 空心阴极效应、 间隙屏蔽、 弧光

21、放电、 阴极溅射、弧光放电：热点弧光 、场致弧光 、热电子弧光阴极溅射：在辉光放电的阴极位降区，正离子会被加速，加速粒子与该区内的中性粒子发生弹性碰撞，因而使中性粒子也具有和离子相近的能量冲向阴极。两种高能粒子对阴极外表进行轰击的结果，使得阴极外表的某些局部被剧烈地加热，同时高能粒子的局部能量转变为某些原子的逸出功和逸出后的动能，引起阴极材料的微粒向外飞散的现象，称为阴极溅射。被溅射的离子离开外表后，呈中性原子状态而不是离子。阴极溅射的主要特点： 1一个粒子轰击阴极外表可溅射出的原子数，称为溅射系数。溅射系数随加速电压的增大而增大，但是当加速电压过高时，由于轰击的正离子撞入阴极材料内部的几率增

22、大，一旦撞人内部，能量将平均散逸给大量的周围原子，不能使个别原子获得逸出的能量。2阴极电位降和轰击粒子的质量越大，阴极溅射越剧烈。 当气体和阴极的种类一定时，阴极位降将随电流密度增加而增加，溅射量近似地与电流密度平方成正比，与气压和极间距离的乘积成反比。 3在其它条件一定时，气压越小溅射越严重，当气压大时，由于溅出的粒子易与周围高密度的气体碰撞而返回外表，因而溅出量减少。4阴极金属的化学特性对溅射率有显著的影响。5用溅射效应可除去阴极金属的污物、氧化物或钝化膜，使外表净化和活化，因而有利于粒子的吸附和渗入。6溅射出的活性原子易于吸收气体或与气体反响生成某种化合物如TixN，CrxN，TIC，C

23、rxCy等，这些化合物沉积到某种外表上也可用于外表改性。离子轰击热处理的特点： 自身加热 、 净化外表 、 加速扩散离子渗氮辉光离子渗氮简称离子氮化，是一项可以显著提高钢铁零件外表抗磨、耐疲劳和耐腐蚀性的外表处理工艺。离子渗氮是在1932年由德国的BBenghaus创造的，1967年左右在德国和瑞士开始被实用化，70年代在我国迅速得到开展，至今全国已经有上千台设备。离子渗氮已经取代了传统的气体氮化工艺。离子渗氮是把被处理的工件放在真空室，抽真空至13.31.33Pa，然后充以稀薄的含氮气体如氨、热分解氨或氮氢混合气体，在阴阳极间加上直流高压后，气体被电离而发生辉光放电，放电过程中氮和氢离子在高

24、压电场的作用下，冲向阴极外表，产生大量的热把工件加热到所需的温度，同时氮的离子或原子为工件外表所吸附，并迅速扩散，形成了一定厚度的氮化层。氢离子在工件外表可以起去除氧化膜的作用。离子渗氮机理：离子渗氮机理有几种模型，但只有阴极溅射模型被较广泛地接受。 在辉光放电中，具有高能量的氮、氢离子轰击作为阴极的工件，一局部离子直接为外表所吸附，渗入工件;另一局部通过阴极溅射轰击出电子及铁、氧等原子。溅射出的铁原子与附近的活性氮原子结合，形成FeN，被工件吸收。FeN受到高温作用和离子的轰击会按照FeNFe2N Fe3N Fe4N的顺序分解为低价氮化铁，同时析出原子氮。析出的原子氮会向工件内部渗入。离子的

25、轰击还可使材料生成晶格缺陷，促进氮的扩散。离子渗氮比传统气体渗氮速度快：通常离子氮化层可能出现四种典型组织：1只有扩散层；2Fe4N化合物十扩散层；3化合物Fe3N十扩散层；4化合物十化合物十扩散层。化合物韧性较好，强度较高，单相的化合物组织主要用于承受较大动力载荷又要求耐磨的工作条件。化合物耐磨和耐蚀性好，但脆性大，主要用于耐磨耐蚀工件。纯扩散层主要用于不能增加脆性的模具钢、耐磨合金等工件，用于不锈钢可使其耐蚀性降低的程度最小。通过控制有关工艺参数可以获得希望的氮化层。用氨气进行传统的气体渗氮，在工件外表可获得合物层，该层下面是化合物层，然后是扩散层。化合物层厚度可达50100m。扩散的空位

26、机理认为，影响渗入元素扩散系数的因素除温度外，还有空位形成激活能和空位迁移激活能两项。对于传统的气体氮化而言，既需空位迁移能量又需空位形成能量，扩散层中只有溶质浓度梯度。而在离子轰击条件下，已有现成的大量空位，无需空位形成激活能，扩散层中既有溶质的浓度梯度，又有空位的浓度梯度。因此，离子氮化，扩散系数较大，这定性地说明了离子氮化比传统气体氮化速度快的原因离子渗氮的主要特点是：如果得到的是和两相化合物组织，这些化合物会沿层深均匀分布；化合物层比气体氮化薄，一般不超过25m；相的含氮量比普通气体渗氮低，相当于Fe3N3.5。温度的影响 温度对氮化层厚度的影响见图。从图中可见在600附近可获得最大厚

27、度。随温度的升高相的数量减少，相的数量增多。时间的影响 随时间的延长，氮化物层的成分会发生变化，相减少，相增多，这是由于相受到氮离子的不断轰击、热稳定性降低、易于分解的原因。在适当长的时间下，可获得最大厚度的层。气体成分的影响离子氮化使用的气体采用N2H2，纯氨，纯氮等。使用纯氨时，由于氨的分解率不易控制，气氛中的氮势不稳定。使用纯氮效果不如 N2H2好，且由于氧的混入使氮化层中出现Fe3O4。所以通常大都采用N2H2混合气。在N2H2混合气中添加含碳气体，如甲烷，会有利于相的形成。气压的影响一般起辉时使用较低的气压67267Pa，辉光稳定后提高气压到1331333Pa。 混合气中的氮分压是一

28、个重要的工艺参数。实际上存在个与相相平衡的氮的临界分压力，低于此值，相就不稳定。氮分压应等于或大于此分压，才可生成氮化物层。例如，570， 20N2 80 H2中氮的分压为003Pa时可得单相相；当分压减小，那么层消失，氮扩散到铁素体中钢离子渗氮后的性能硬度 疲劳强度 渗氮可以提高疲劳强度，且随氮化层深度的增加而增加。当氮化深度增加到0.32m时，疲劳极限可提高 48；当增加到0.56m时，疲劳极限可提高 75。强韧性 只有扩散层时韧性最好，单相氮化物层时次之，单相氮化层最差。 离子渗氮与其它渗氮方法的比较渗氮速度快。可以通过调节引入气体的成分，获得希望的渗氮层，即渗氮组织可控。用辉光放电直接

29、加热工件外表，无需辅助加热设备，方便、节能，又可获得均匀 的加热温度。处理温度低，热变形小。因为是真空处理，外表无氧化，适于成品处理。用普通方法难以渗氮的不锈钢、钛等都可进行渗氮。离子氮碳共渗近些年，有人采用氨和含碳丙酮等气体混合进行氮碳共渗，即离子软氮化。离子软氮化比用纯氨作离子氮化处理时间短缩短14倍，渗层厚，外表硬度高，疲劳强度好，与气体软氮化比也有表层硬度高，渗层厚，工艺稳定，劳动强度低，操作简便、卫生，节电和省气等优点离子渗碳的根本原理与离子氮化相似。在真空状态下，以工件为阴极，施以直流电压，产生辉光放电，碳离子轰击工件外表，把工件外表加热并被外表吸收然后向内部扩散。与离子氮化所不同

30、的是，渗碳需要900以上的高温，因而，通常都附加一个外部的加热源。而渗碳后必需进行淬火，因而还要附设一套真空淬火设备。渗碳渗速：真空渗碳时活性气体分子作不规那么的运动，运动到工件外表的原子才会发生反响，而等离子渗碳时有电场的作用，带电粒子会向工件做定向运动，所以离子渗碳要比真空渗碳在单位时间内到达工件的离子或活性原子数多得多，因而渗速也高得多。 1离子轰击清洗外表 ；2C的吸附 ；3碳离子的吸附 ；4碳离子的注入 ；5氩离子的溅射效果Ar 。 等离子渗碳与传统的气体渗碳的主要区别是：不用吸热后分解的气体，而是直接导入丙烷渗碳；一般在1332660Pa压力下进行；渗碳温度为900950，当要求渗

31、层较浅，且用N2C3H8进行碳氮共渗时，也可在900以下进行。另外，也可以与真空渗碳一样进行高温渗碳1040。等离子渗碳的主要特点如下：1不使晶界氧化。等离子渗碳工件在真空中加热，而且工作气中不含O2和H2O，所以不会发生晶界氧化。2外表渗碳量容易控制。外表渗碳层深度、碳浓度和晶粒大小对工件和机械性能有重大影响，因此必须严格控制。采用丙烷等离子渗碳可通过气体流量和等离子体中C3H8分压的高精度控制来控制外表渗碳量。3屡次循环处理形成复合硬化层。与气体渗碳相比，等离子渗碳可以迅速更换渗碳室的反响气，因此为到达“先渗碳后氮化或“先氮化后渗碳的外表硬化目标，可以对连续的多循环处理进行程序控制。 等离

32、子渗碳的应用：1.用等离子渗碳代替气体渗碳 2等离子高浓度渗碳 3难渗材料的等离子渗碳 4高熔点金属的等离子渗碳 5热喷涂层的等离子渗碳离子渗硫： H2S 离子渗硫 、 H2SNH3 离子硫氮共渗 离子渗硼： 钢经过渗硼，外表具有高的硬度可达13002300Hv)和耐磨性、良好的抗蚀性、抗氧化性和热硬性。目前主要采用的渗硼气体介质，是用氢气稀释过的低压(133.3Pa)含棚化合物气体或蒸气。如B2H6乙硼烷、BCl3等。B2H6在高温下不稳定，极易分解。即使是常温下也能分解为许多中间产物而且有毒，易爆。所以，使用氢气稀释到体积分数为30以下。三氯化硼具有毒性，还有腐蚀性，一般稀释至体积分数为1

33、0左右。过量的BCl3将导致形成脆而多孔的渗层。由于离子渗硼介质有毒、易爆。因此，离子渗硼还处于实验室研究阶段，工业应用较少。等离子外表冶金技术的现状与开展等离子体作为物质存在的第四态，已在材料及外表技术等领域显示出独特的优越性。等离子外表工程是利用气体放电所产生的低温等离子体而形成的外表工程新方法，符合当代新技术开展的趋势。外表工程技术的分类：外表硬化技术Surface Hardening：如外表淬火及外表冷作硬化等，其特点是基体材料外表没有成分变化，仅有组织变化。 外表覆盖技术(Surface Covering)：如电镀、化学镀、物理及化学沉积以及热喷涂等，其主要特点是在材料外表之外形成特

34、种材料层，该层的化学成分及组织结构都和基体材料有很大差异。 外表冶金技术(Surface Metallurgy)或外表合金化技术(Surface Alloying)：如传统的化学热处理、渗碳、氮化以及渗金属等。离子氮化、离子注入以及激光外表合金化等。其主要特点是在材料外表之内形成合金层，该合金层的成分随外表深度的变化而呈剃度变化。外表冶金技术的分类：化学外表冶金技术Chemical Surface Metallurgy高能束外表冶金技术High Energy Beam Surface Metallurgy等离子外表冶金技术Plasma Surface Metallurgy1、化学外表冶金技术是

35、在加热条件下利用化学介质的挥发、分解和反响而形成的外表冶金方法。其中包括传统的化学热处理，真空渗碳以及使用感应加热的外表化学热处理技术等。2、高能束外表冶金技术是利用载能粒子束如离子、电子、光子及中子束等而形成的外表冶金方法。其中包括离子注入技术、激光外表合金化技术以及电子束外表合金化技术等。3、等离子外表冶金技术是利用气体放电如辉光和弧光放电等所产生的低温等离子体而形成的外表冶金方法。其中主要包括离子氮化技术、双层辉光离子渗金属技术、多弧离子渗金属技术以及加弧辉光离子渗金属技术等。现有外表合金化处理技术外表处理工艺优点缺点固体渗金属工艺、设备简单，本钱较低。合金元素受限制、工艺可控性较差、环

36、境污染。离子注入可以获得耐磨及强韧的外表合金层合金层薄、设备昂贵、不适合大面积处理激光外表合金化及电子束外表合金化可以获得具有特殊组织性能的外表合金层外表粗糙易产生微裂纹离子氮化工艺稳定有氢脆倾向双层辉光等离子外表冶金双层辉光离子渗金属技术是在离子氮化的根底上研究成功的，其重要意义是使只能应用于少量非金属元素的离子氮化技术扩展到所有固态合金元素。 双层辉光离子渗金属技术是利用真空条件下双层辉光放电所产生的低温等离子体而形成的一种等离子外表冶金方法。其主要功能是在可导电材料外表形成具有特殊物理化学性能的合金层。例如在普通碳钢外表形成高速钢、不锈钢和镍基合金等。在钛及钛合金外表形成各种耐磨、耐蚀、

37、抗高温氧化的合金层等。近来我们又研究成功在金属材料外表形成高硬耐磨的金属陶瓷复合材料。双层辉光离子渗金属技术是我国原创的一项重要创造。1985年获美、英、加、澳、日等多国专利权，是我国大陆学者自1949年以来在美所取得的第一项美国专利。1992年获国家创造二等奖。1994年度国家科委和863高技术研究开展方案确定为“重大关键技术工程。该技术在美曾建立实验室并获得两项美国政府资助的研究工程。近年来，美国 Boeing，Catterpillar及Allied Signal等著名公司已联手支持美国密苏里大学工学院共同为双层辉光离子渗金属技术向美国科学基金委员会NSF申报成立“外表合金化工程研究中心双

38、层辉光离子渗金属技术具有节约贵金属，节省能源、无公害，并可大面积处理及外表合金成份可控等显著优点。已成功地应用于手用锯条，机用锯条，大型钢板，化工用阀门及液体泵，钢窗附件以及汽车排气阀等。是一项有广阔应用前景的外表工程技术。根本原理三种放电模式1、独立放电模式：当工件和源极之间距离较大或工作气压较高时，工件和源极的辉光不相重叠。其主要特征是工件和源极的放电参数相互独立而不相互干扰。2、空心阴极放电模式：当工件和源极之间距离较小或工作气压较低时，两者负辉区相互重叠而使放电电流倍增。其主要特征是工件和源极的放电参数相互影响而不能完全独立变化。3、 脉冲放电模式：脉冲电源主要用于工件。也可以既用于工

39、件也用于源极。脉冲放电可抑制弧光放电，提高合金渗层质量。三、根底研究单元素渗的研究双元素共渗的研究多元素共渗的研究复合渗的研究复合热处理的研究离子轰击条件下的扩散机制研究双层辉光放电条件下等离子体特性的研究双层辉光离子渗金属根本原理图1、单元素渗通过双层辉光离子渗金属技术，在金属材料外表渗入特定的合金元素，可大幅度提高材料的耐磨、耐腐蚀性能；强化材料外表，提高抗疲劳性能；同时也可生成具有特殊功能的合金层。 已成功渗入Ni、Cr、W、Mo、Nb、Zr、Ta、Ti、Al等。2、Ni-Cr共渗研究 Cr-Ni共渗可在纯铁和低碳钢外表获得具有优良抗腐蚀性能的镍基合金层。3、W-Mo共渗研究 W-Mo共

40、渗可在纯铁和低碳钢外表获得具有优良抗磨损性能的合金层。4、钛合金外表合金化研究 许多重要的合金元素和钛无限互溶，为双层辉光离子渗金属技术在钛合金外表处理方面提供了广阔的开展空间钛合金的特点：钛合金比强度高，耐蚀性强，是重要的航空材料。高速飞机广泛采用钛合金作为结构材料，可大幅度减轻飞机重量，提高飞行性能。如，美国的YF-12A战斗机全机结构有93是用钛合金制作的。据统计，结构重量减少15，飞机的起飞滑跑距离缩短15，航程增加20，有效载重量提高30。4.1、钛合金外表渗Mo研究： 双层辉光离子渗Mo使TC4外表耐磨性大幅度提高。4.2、钛及钛合金无氢渗碳研究：钛及钛合金的吸氢能力较强，使用含氢

41、渗碳介质将引起钛外表的严重氢脆。本研究使用双层辉光离子渗金属技术及加弧辉光离子渗金属技术并使用石墨板作为源极或弧靶材料，取得了很好的试验结果。4.3、钛及钛合金外表形成阻燃合金的研究：常规钛合金在一定的温度、压力等苛刻环境下，会发生自燃现象，俗称“钛火。钛合金的自燃，使很多部件不得不重新采用镍基合金。4.4、TiAl外表合金化：5、铜及铜合金的渗钛研究 使用双层辉光离子渗金属技术在纯铜外表渗钛，其外表可形成厚度为6080微米的铜钛合金层，其含钛量可达4060，外表硬度可达HV650以上，耐磨性比未经渗钛处理的纯铜提高了17倍左右。其抗氧化性能也比纯铜提高了一个数量级。6、离子轰击条件下的扩散机

42、理 在辉光放电条件下的正离子平均能量为20-50eV，在金属材料外表形成空位所需平均能量约为20eV，在大量的正离子轰击下，金属材料外表形成包含有大量空位的晶体缺陷层，缺陷层可溶解更多的合金元素，形成远超过固溶度的过饱和固溶体。较高的浓度差可加速扩散过程。外表缺陷层的大量空位将向基体内扩散形成空位梯度，成为合金元素向内扩散的一个通道。以上观点较好地解释了离子氮化及双辉离子渗金属技术渗速较快的特点。双层辉光离子渗金属锯条的优势 环保产品 由于全部采用真空处理，无公害，无污染。性能优越: 切削性能和高速钢及双金属高速钢锯条相当使用寿命是普通碳钢锯条的810倍，且柔韧不断。本钱低: 本钱仅为双金属高

43、速钢锯条的三分之一左右。 经济效益好: 以年产一亿支计，每年可创汇20002500万美元，创利税600010000万元。社会效益和国际影响大: 在国内是采用高技术，改造传统产业的新产品，在国外那么是具有中国特色的全新产品。 六、双层辉光离子渗金属技术的特点节约天然资源，节约贵重金属元素节约能源无公害外表合金成分可控可进行大面积处理合金元素的含量可以在大范围内变化合金渗层厚度可以在大范围内变化合金元素的品种数不受限制，很容易进行多元共渗是制造梯度材料和复合材料的新方法是制造高速钢的新方法等离子外表冶金高速钢气相沉积技术(Vapor Deposition)定义：通过化学反响或热蒸发等物理过程，使沉

44、积材料汽化并在基体工件外表形成固体膜层的方法。气相沉积基体过程包括三个走骤：1、即提供气相镀料；镀料向所镀制的工件或基片输送；2、镀料沉积在基片上构成膜层。3、沉积过程中假设沉积粒子来源于化合物的气相分解反响，那么称为化学气相沉积CVD；否那么称为物理气相沉积PVD1 气相物质的产生 一类方法是使镀料加热蒸发，称为蒸发镀膜；另一类是用具有一定能量的离子轰击靶材镀料，从靶材上击出镀料原子，称为溅射镀膜。2气相物质的输送 气相物质的输送要求在真空中进行，这主要是为了防止气体碰撞阻碍气相镀料到达基片。在高真空度的情况下真空度为10-2Pa，镀料原子很少与剩余气体分子碰撞，根本上是从镀料源直线前进到达

45、基片；在低真空度时如真空度为10Pa，那么镀料原子会与剩余气体分子发生碰撞而绕射，但只要不过于降低镀膜速率，还是允许的。如真空度过低，镀料原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，那么镀膜过程无法进行。3气相物质的沉积气相物质在基片上沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。镀料原子在沉积时，可与其它活性气体分子发生化学反响而形成化合物膜，称为反响镀。在镀料原子凝聚成膜的过程中，还可以同时用具有一定能量的离子轰击膜层，目的是改变膜层的结构和性能，这种镀膜技术称为离子镀。蒸镀和溅射是物理气相沉积的两类根本镀膜技术。以此为根底，又衍生出反响镀和离子镀。其中反响镀在工艺和设备上变

46、化不大，可以认为是蒸镀和溅射的一种应用；而离子镀在技术上变化较大，所以通常将其与蒸镀和溅射并列为另一类镀膜技术。一、蒸发镀膜在高真空中用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体外表的方法称蒸发镀膜简称蒸镀。1、蒸镀原理：和液体一样，固体在任何温度下也或多或少地气化升华，形成该物质的蒸气。在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发，蒸发原子在各个方向的通量并不相等。基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气那么在其上形成凝固膜。为了弥补凝固的蒸气，蒸发源要以一定的比例供应蒸气(1)电阻加热蒸镀加热器材料常使用钨、钼、钽等高熔点金属，按照蒸发材料的不同，可制成丝状、带状和板状 .(

47、2)电子束加热蒸镀利用电子束加热可以使钨熔点3380、钼熔点2610和钽熔点3100等高熔点金属熔化。 3合金膜的镀制 如果要沉积合金，那么在整个基片外表和膜层厚度范围内都必须得到均匀的组分。有两种根本方式：单电子束蒸发源沉积和多电子束蒸发源沉积 4化合物的镀制 大多数的化合物在热蒸发时会全部或局部分解。所以用简单的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成符合化学比的膜层。但有一些化合物，如氯化物、硫化物、硒化物和硫化物，甚至少数氧化物如B203，SnO可以采用蒸镀。因为它们很少分解或者当其凝聚时各种组元又重新化合。然而不仅有热分解问题，也有与坩埚材料反响从而改变膜层成分的问题，这些都是化合物蒸镀的

48、限制因素。2、镀制化合物的另一途径是采用反响镀例如镀制TiC是在蒸镀Ti的同时，向真空室通入乙炔气，于是基片上发生以下反响而得到TiC膜层。2TiC2H22TiC十H2 5分子束外延 以蒸镀为根底开展起来的分子束外延技术和设备，经过10余年的开发，近年来已制备出各种-V族化合物的半导体器件。外延是指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体同质外延，或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体异质外延。目前分子束外延的膜厚控制水平已经到达单原子层，甚至知道某一单原子层是否已经排满，而另一层是否已经开始成长。3蒸镀用途 蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜; 例如用作电极的导电膜，光学镜头用的

49、增透膜等。 蒸镀用于镀制合金膜时在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。蒸镀纯金属膜中，90是铝膜二、溅射镀膜 溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料外表，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。溅射镀膜有两种：一种是在真空室中，利用离子束轰击靶外表，使溅射出的粒子在基片外表成膜，这称为离子束溅射。离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶外表，并使溅射出的粒子堆积在基片上。 1离子溅射离子溅射现象：

50、当入射离子的能量在100eV10keV范围时，离子会从固体外表进入固体的内部，与构成固体的原于和电子发生碰撞。固体的原子飞离固体外表。在离子溅射的研究中，溅射产额是大家最关心的。一般把对应一个入射离子所溅射出的中性原子数叫做溅射产额。显然，溅射产额与入射离子的能量、靶的材质、入射角等密切相关；溅射产额依入射离子的种类和靶材的不同而异1、入射离子中Ne，Ar，Kr，Xe等惰性气体可得到高的溅射产额，在通常的溅射装置中，从经济方面考虑多用氩。2、各种靶材的溅射产额随原子序数变化呈周期性改变，Cu，Ag，Au等溅射产额最高，Ti，Zr，Nb，Mo，Hf，Ta，W等最小。1直流二极溅射 阴极上接13k

51、V的直流负高压，阳极通常接地。这种装置的最大优点是：结构简单，控制方便。缺点有：因工作压力较高膜层有沾污；沉积速率低不能镀10m以上的膜厚；由于大量二次电子直接轰击基片使基片温升过高2三极和四极溅射 三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使放出热电子强化放电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方便。 四极溅射如下图：这种溅射方法还是不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，还存在因灯丝具有不纯物而使膜层沾污等问题。 3射频溅射 射频溅射工作原理：射频溅射的两个电极，接在交变的射频电源上，似乎没有阴极与阳极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极不是对称的。放置基片的电极与机壳相连

52、，并且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。另一电极对于等离子体处于负电位，是阴极，受到离子轰击，用于装置靶材。其缺点：是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。4磁控溅射 磁控溅射特点：在阴极靶面上建立一个环状磁靶，以控制二次电子的运动，离子轰击靶面所产生的二次电子在阴极暗区被电场加速之后飞向阳极能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的时机增加，而且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶外表落在阳极基片上，这是基片温升低、损伤小的主要原因。高密度等离

53、子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接触。这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等离子体的轰击。电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大增加。5合金膜的镀制 在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金膜的成分。 镀制合金膜可以采用多靶共溅射，这时控制各个磁控靶的溅射参数，可以得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶单靶进行溅射，那么不必采用任何控制措施，就可以得到与靶材成分相对一致的合金膜。 6化合物膜的镀制化合物膜是指金属元素与氧、氮、硅、碳、硼、硫等非金属的化合物所构成的膜层。 化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反响溅射。许多化合物是导电材料，其电导率有的甚至与金属

54、材料相当，这时可以采用化合物靶进行直流溅射。对于绝缘材料化合物，那么只能采用射频溅射。大规模镀制化合物膜宜采用反响溅射。这种方法的优点在于不必用化合物靶材，而是直接用金属靶，也不必用复杂的射频电源，而是用直流溅射。反响溅射是在金属靶材进行溅射镀膜的同时，向真空室内通入反响气体，金属原子与反响气体在基片上发生化学反响即可得到化合物膜。7离子束溅射 离子束溅射是采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子。离子束溅射的优点：能够独立控制轰击离子的能量和束流密度，并且基片不接触等离子体，这些都有利于控制膜层质量。此外，离子束溅射是在真空度比磁控溅射更高的条件下进行的，这有利于降低膜层中的杂质气体的含量。离

55、子束镀膜的缺点：是镀膜速率太低，只能到达0.01mmin左右。这比磁控溅射低一个数量级，所以离子束镀膜不适于镀制工件，也不适于镀制大面积工件。这些缺点都限制了离子束溅射在工业生产中的应用。2溅射的用途溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等外表强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料等。1Cr，CrC，CrN等镀层，采用Cr，CrCrN等合金靶或镶嵌靶，在N2，CH4等气氛中进行反响溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr，CrC，CrN等镀层。纯Cr的显微硬度为425840HV，CrN为10003500HV，不仅

56、硬度高且摩擦系数小，可代替水溶液电镀铬。电镀会使钢发生氢脆、速率慢，而且会产生环境污染问题2TiN，TiC等超硬镀层，用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等外表，摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般可使刀具寿命提高310倍。在高温、低温、超高真空、射线辐照等特殊条件下，工作的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状物质等固体润滑剂。常用的固体润滑剂有软金属(Au，Ag，Pb，Sn等)，层状物质MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等，高分子材料尼龙、聚四氟乙烯等等。溅射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜

57、十分有效。 可用化学反响镀膜法制作，但是溅射镀膜法得到的MoS2膜致密性好，附着性优良。 MoS2溅射膜的摩擦系数很低，在0.020.05范围内。MoS2在实际应用时有两个问题：一是对有些基体材料如Ag，Cu，Be等目前还不能涂覆；二是随湿度增加，MoS2成膜的附着性变差。在大气中使用要添加Sb2O3等防氧化剂，以便在 MoS2外表形成一种保护膜。固体润滑剂溅射法可以制取聚四氟乙烯膜。试验说明，这种高分子材料薄膜的润滑特性不受环境湿度的影响，可长期在大气环境中使用，是一种很有开展前途的固体润滑剂。其使用温度上限为50，低于一260时才失去润滑性。MoS2、聚四氯乙烯等溅射膜，在长时间放置后性能

58、变化不大，这对长时间备用、突然使用又要求可靠的设备如防震、报警、防火、保险装置等是较为理想的固体润滑剂。三、离子镀膜 离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片外表和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的在于改善膜层的性能。离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。无论是蒸镀还是溅射都可以开展成为离子镀。在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，再加上数百伏的负偏压，即有能量为100eV量级的离子向基片轰击，从而实现离子镀。离子镀也可以在蒸镀的根底上实现，例如在真空室内通入1Pa量级的氩气后，在基片上加1000V以上的负偏压，即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基片，这就是二极离子镀。对于真

59、空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的每个沉积粒子所带的能量是不同的。热蒸镀原子大约0.2eV，溅射原子大约1-50eV，而离子镀中轰击离子大概有几百到几千eV。 1离子镀的原理 离子轰击，确切说应该既有离子又有原子的粒子轰击。粒子中不但有氩粒子，还有料粒子，在镀膜初期还会有由基片外表溅射出来的基材粒子。 良好的结合强度对于以耐磨为目标的超硬膜，采用离子镀的目的是为了提高膜层与基片工件之间的结合强度。其原因是离子轰击对基片外表的清洗作用可以除去其污染层，另外还能形成共混的过渡层。过渡层是由膜层和基片界面上的一层由镀料原子与基片原子共同构成的。如果离子轰击的热效应足以使界面处产生

60、扩散层，形成冶金结合，那么更有利于提高结合强度。蒸镀的膜层其剩余应力为拉应力，而离子轰击产生压应力，可以抵消一局部拉应力离子轰击可以提高镀料原子在膜层外表的迁移率，这有利于获得致密的膜层。如果离子能量过高会使基片温度升高，使镀料原子向基片内部扩散，这时获得的就不再是膜层而是渗层，离子镀就转化为离子渗镀了。离子渗镀的离子能量为1000eV左右。离子镀的缺点：氩离子的轰击会使膜层中的氩含量升高，另外由于择优溅射会改变膜层的成分。2离子镀的类型和特点离子镀设备要在真空、气体放电的条件下完成镀膜和离子轰击过程。离子镀设备要由：真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等局部组成。国内外常用的离