40Cr钢的等离子电解渗入碳氮工艺研究(2)
1.1 液相等离子体电解技术（PES）原理
液相等离子体电解技术是指在一个开放的大气环境下，在特殊的电解液中进行，整体工件受热轻微，可以在完成渗氮、渗碳或者碳氮共渗后直接淬火，从而在几分钟内就可以获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗层。
等离子体是一种导电流体，当施加显著的高温或高能量时，中性的物质就会被电离成电子、离子和自由基，这些高能粒子能在较高的能量状态下进行各种化学反应，但整个体系的正负电荷相等而呈中性。等离子体是电离的气体，内部各粒子的质量相差很大，且运动有明显的差别，被列为除固体、液体、气体以外的第四种物态，称为等离子体（Plasma）。与固、液、气三态相比，等离子体在组成和性质上均有本质区别，与高温气体之间也有着明显的差异[1]。
液相等离子渗透技术（PES）属于等离子体电解沉积（PED）[2]的范畴。等离子体电解沉积（plasma electrolytic deposition，PED）是一种利用等离子体电解进行材料表面改性的新兴技术。PED技术中包括等离子体电解氧化[3-10]和等离子体电解渗透2种技术，而等离子体电解氧化技术适用于对Al、Mg、Ti等轻金属及其合金材料的处理，PED技术中的另一种PES技术适合于对钢铁材料的处理，应用的就是等离子体液相渗透技术[4]。正如上所述，在处理的过程中，工件作为一个电极（可以是阳极，也可以是阴极[4]）浸在所选择的电解液中，利用电化学方法，在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下，在工件表面获得渗透强化层。等离子与材料表面撞击时会将能量传递给材料表面的原子和分子，该过程会产生一系列的物理和化学过程，一些粒子会注入到材料表面，与基体的原子或分子一起碰撞、散射，引起激发、重排、异构缺陷、晶化及非晶化等，从而改变材料的表面性能。
在特定的电解液中，如果阴阳两极间的电压超过一定的范围，就会发生放电现象。这类电解称为等离子体电解[5]。在等离子电解过程中由于气体放电，在电解液中会产生有别于固态、液态、气态的物质第四态“等离子体”。由于弧光放电，电流密度较大[6]，产生的等离子体在电场的作用下轰击工件表面，离子注入到被处理材料中，产生空位和位错，将导致两个方面的影响：一方面，使工件表面的活性原子的浓度提高；另一方面，强化沿晶内扩散，即位错沿着与轰击表面垂直的滑移面移动，其运动的方
向与饱和元素（C，N）扩散流的方向重合，从而大幅度提高材料内C、N原子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系数的增大，使得非金属扩散系数可提高2~3倍，从而使C和N原子的扩散过程得以强化。离子的轰击十分强烈，使得渗透速度加快并不断注入到工件表层，形成一定厚度的渗层。
离子轰击阴极表面发生一系列的物理化学现象。这些物理化学现象在整个渗氮过程种的工艺作用是很复杂的。在离子渗氮过程中，哪一种作用为主，不能一概而论，其主次关系全靠不同辉光的放电条件而定。归结起来，离子渗氮的主要理论有一下几种。（1） 溅射与沉积理论：该理论认为渗氮层是通过阴极溅射形成的。阴阳极被加高电压后，溶液被迅速加热形成气态，稀薄气体被电离形成等离子体，其中N＋、H＋、NH3＋等正离子在阴极位降区被加速，轰击工件表面，靠离子轰击，使轰击的动能转变成为热能，实现加热处理工件，其中打击出来的电子，产生二次电子发散，在阴极上有溅射，打出碳，氮，氧，铁等，而铁与阴极附近的活性氮原子形成FeN。由于背散射，又沉积到阴极表面，FeN分解析出的氮原子大部分向钢铁内部扩散渗入，小部分返回等离子体，这种渗氮层是通过“阴极溅射与沉积”形成的。（2） 分子离子化理论：这种理论认为溅射虽然很明显，但是溅射不是主要的控制因素。氮离子虽然可以渗氮，但是形成的渗层不是很硬，渗层深度也浅。要有较硬较深的渗层，其决定作用的是氮氢分子离化成离子的作用（3） 碰撞离析理论：在离子渗氮过程中，无论气缘是什么，只要离子能量条件得到满足，就可能通过碰撞裂解，产生大量的活性氮原子，这些活性氮原子在渗氮过程中起主要作用。