40Cr钢的等离子电解渗入碳氮工艺研究(4)
等离子体有许多独特的物理化学性质：温度高、粒子动能大；作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能；化学性质活泼，容易发生化学反应。等离子体的特性归结于等离子体内部电子和气体分子间的碰撞[8 ]，以电子碰撞双原子分子为例：若碰撞能量小，则发生弹性碰撞，电子的动能几乎不会改变；若碰撞能量很高，分子中绕核运动的低能电子，就会在碰撞中获得足够高的能量，被激发至离核能较远的高能级轨道上运动。这种处于高能级状态的分子称为激发分子，激发态分子中的电子从高能级状态回到低能级时，便以发光的形式来释放多余能量。电子对分子AB的碰撞可以使之分解成A原子和B原子（离解）[9]。
图1.2 击穿放电系统模型
对于实验过程中四个阶段的产生的不同现象，有着各自对应的机理：
第一阶段，在电场的作用下，通过导电离子使溶液中产生电流，电流的热效应使得电极附近的溶液温度急剧升高并气化，而电极的作用会使部分溶液发生电解，电解产生的气体和气化的气体积聚在电极的表面产生了气泡，电极周围形成了液体低密度区域，成为一层溶液和电极之间的绝缘气膜。
第二阶段，此阶段属于气液共同导电阶段。随着电压的升高，液体温度急剧升高，离子运动加速。对于气体，在热电离和外电场的作用下发生电离，产生许多二次电子。所以这一阶段气泡密度很高，气体膜层很厚。
第三阶段，属于击穿放电阶段。此时电极周围的气泡足够密集，在溶液和电极之间形成的气体绝缘层足够厚，当电压达到临界值后，足够击穿绝缘的气膜，就会在强电场的作用下发生击穿放电现象(液相下产生辉光放电等离子体)，产生电火花。
第四阶段，继续升高电压，属于放电稳定阶段。此时产生连续稳定的等离子区，形成气液隔离层，电流减小。
液相等离子体渗透处理就是利用放电使有机物分解和电离，产生由[C]和[N]以及它们的基团所组成的等离子体，对试样表面进行轰击，加以电流的热效应对试样表面加热，使[C]和[N]渗入到试样的表面，从而实现在液相下的表面碳氮共渗，来改善钢的表面的组织和性能，从而达到强化的效果。
1.3选题意义和主要研究内容
1.3.1选题意义
随着现代科学技术的不断发展，工业生产中对机器零件、工模具使用的材料的性能的要求也越来越高。机器零件、工模具在使用过程中大多数因为疲劳或磨损而失效，或者因为表面高温氧化及发生腐蚀而损坏，这些损坏多数起源于零件的表面或接近表面的地方，因此为了提高机器零件、工模具的使用寿命，必须在整体强化的基础上，对机器零件、工模具进行进一步的表面强化。目前生产上主要是通过对工件表面渗碳、渗氮或高合金化来提高工件的耐磨损性能。
液相等离子体电解渗技术可在大气环境下进行，工件在特定的电解液中处理1~20min即可获得高硬度、耐磨、耐蚀的渗层，因此液相等离子体电解渗技术是具有发展潜力的表面处理技术。随着近20年渗氮工艺的飞速发展，液相等离子渗氮技术逐渐被用在各种渗氮实验中，液相等离子渗氮具有处理时间短，处理工艺简单，适用范围广，试样的前处理简单等优点，所以它是一种很有应用前途的表面改性技术。本课题以实现在开放的大气环境下、特定的电解液中应用液相等离子体电解渗透技术对钢件进行快速碳氮共渗处理来提高工件的耐磨、耐蚀性能为目的。本文选择40Cr钢为工件材料，并且作为阴极来进行电解共渗处理。由于该技术是一种新兴的表面处理技术，具有处理时间短，处理工艺简单，适用范围广等优点，所以这项技术具有很大的研究意义。但是该技术实验的机理还不是很明确，由于对电流的要求比较大，所以至今处理的都是一些体积很小的试样，特别是在处理工艺参数的选择上还需仔细分析研究，以便适用于大型工件的快速表面处理，从而适用于工业生产，提高生产效益。