40Cr钢的等离子电解渗入碳氮工艺研究(3)
液相等离子体电解渗透技术是一种新兴的表面处理技术，研究方向主要集中在等离子体电解渗氮、渗碳、碳氮共渗和渗硼技术上。并且目前进行的研究也主要集中在阴极等离子体电解渗透技术上。目前研究成果：聂学渊[11]和A.L.Yerokhin[12]等人进行的研究是在尿素电解液体系下对不锈钢进行等离子体碳氮共渗处理；M.Tarakci[13]等人是在甘油电解液体系下对纯铁进行等离子体电解渗碳处理；E.Ghobadi[14]等人在尿素电解液体系下对铬层进行等离子碳氮共渗处理研究。最近国内外从事该领域研究的学者又有了很多新的研究进展，对该技术的各种工艺参数和技术条件进行了深入的探讨和研究，例如:S.F.Luk和T.P.Leung等人对比研究了脉冲直流电源和普通直流电源的处理结果，得出了脉冲直流电源更适合该工艺的重要结论，后来又对该工艺流程中的热处理过程进行了深入的探讨和分析，优化了热参数。
从目前的研究进展来看，经过等离子体电解渗透技术处理过以后，工件的耐磨损、耐腐蚀和硬度都有很大程度上的提高。另外，等离子体渗透反应时间比较短，一般3~5分钟即可，这与它的高扩散系数有关。在微区高温高压条件下，扩散反应的活化能降低，电极表面活化性提高，对扩散物质吸附性增强，放电造成的晶体缺陷有利于整体扩散，因此它的扩散系数相对于传统的热扩散有了显著提高。
1.2 液相等离子体碳氮共渗机制
1.2.1 电解液发生的化学反应
甲酰胺(HCONH2)在实验温度[7]范围内,按下式分解：
HCONH2→NH3↑+CO；HCONH2→HCN+H2O；
CO(NH2) 2→NH3↑+CO
其中NH3、HCN及CO进一步分解，产生活性C、N原子，并被工件表面吸收。进一步反应的方程式如下：
2NH3→3H2↑+2[N]；2CO→CO2↑+[C]；2HCN→H2↑+2[C]+2[N]
此介质的分解主要靠弧光放电的电离过程。
图1.1等离子体放电过程示意图
由上述一系列反应可以知道，随着处理电压的升高，在阴极试样周围产生大量气体，这就形成了电解液和试样表面分离的气液隔离层，当达到击穿电压U2后,气体层
发生击穿反应,气泡破裂火花放电出现, 产生的等离子体中含有大量碳、氮活性粒子，它们在高电场、流体动力等作用下轰击试样表面，形成复杂化合物，并在局部高温高压、高浓度的作用下向金属内部扩散。进一步提高电压至U3，形成了连续的气体/等离子体隔离层，该层含有高浓度的碳、氮、氧离子和活性原子，出现了连续的弧光放电现象。气体/等离子体隔离层使阴极与电解液完全分离，造成电极电流的显著降低。进一步提高电压，电流变化不大，基体表面温度却迅速上升，因此控制合适的工艺参数对等离子体渗透非常重要。
1.2.2等离子体的形成及共渗机制
本试验过程中之所以能在液相条件下产生等离子体，分析其原因是由于：一方面电流热效应使得在负电极附近形成了液体的低密度区域(局部液体的密度较低)，并且在此区域出现负电荷的空间积累，随着电流热效应的增强，当此区域的液体密度降到一定程度时，在电极的表面形成了一层能够与液体隔离的气体膜层，在外电场的作用下液体和电极之间产生了一定的电位差；另一方面在负电极周围的电子的空间积累使得在试样周围的低密度区有了足够的能量(10GV/m)发生自激电离，电离的电子穿过低密度气体膜层区域发生击穿放电现象，产生等离子体，在一处击穿绝缘气膜后，隔离的气体膜层被破坏掉，此时其它区域随着焦耳热效应的作用又会自行形成一层新的气体膜层，而后再发生击穿放电，因此在试样的表面就形成了闪耀的弧光点，不连续的放电现象。