离子化学热处理的原理与应用

离子化学热处理是在低温等离子体中进行的一种元素渗扩过程，涉及许多高能离子、高能电子以及高能中性粒子，因而决定了离子化学热处理反应的复杂性。关于离子化学热处理的机理，国内外学者提出了不少模型，目前公认的观点有以下几种：

（1）测射与沉积理论 这是1965年J.Ko¨lbel在研究和完善B.Berghous的离子轰击模型的基础上提出来的。他认为，离子渗氮时，渗氮层是通过阴极溅射反应而形成的。

（2）分子离子理论 1973年，M.Hudis根据4340钢（美国牌号，相当于我国40CrNiMo）在溅射很弱的情况下，仍然可以得到显著的硬化效果这一事实得出，在离子渗氮时，虽然溅射很明显，但这不是主要的控制因素，对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化的结果，并认为氮离子也能渗氮。

（3）中性氮原子模型 1974年，G.Tibbetts在用N₂与H₂混合气进行离子渗氮时，于试样外加一网状栅极，以滤掉轰向试样的正离子，只让不带电荷的中性粒子到达试样。试验表明，在有、无栅极的状况下，渗氮效果相同。因此，他认为，对离子渗氮起作用的实质上是中性氮原子，NH_j⁺离子的作用是次要的。

（4）活性氮原子碰撞离析理论 这是我国学者在20世纪80年代提出的，他们认为，活性氮原子在离子渗氮过程中起决定作用。

事实上，上述几种理论都是在相对独立的条件下得到的，过于强调某一种粒子的作用，弱化了其他粒子的贡献。等离子场组成复杂，各种粒子交互作用，共同完成了离子渗氮过程。因此，在一般状况下（而不是某种特定的试验条件），哪种粒子的贡献更大，仍然是值得深入研究的。为了方便起见，我们借用离子渗氮的溅射与沉积理论对离子化学热处理过程进行简单介绍。

在离子轰击过程中，氮离子在阴极位降区被强烈地加速并轰击工件表面，产生一系列重要现象（见图9-6）。

（1）阴极溅射 阴极溅射是指高能离子轰击阴极表面时，阴极表面的中性原子或分子被分离出来的过程。(www.xing528.com)

一般对溅射机理有两种解释：一是认为高热量的离子碰到阴极表面时，该表面极小的局部区域被加热至高温，并使原子蒸发，这些区域的温度可达数千摄氏度，只是由于它的面积极小，对宏观表面不造成损伤，其平均温度就是渗氮处理时所需控制的温度；另一种理论认为，溅射现象是轰击离子与阴极原子动能传递的过程，即在溅射过程中，离子能量转变为使原子及电子逸出金属表面所需的逸出功、逸出粒子的动能和加热阴极的热能。

采用阴极溅射的方法让碳、氧、氮以及污染层从试样表面解吸，使碳化物和氧化物分离出来，通过这些元素向表面的二次扩散（通常沿晶界进行），溅射过程还会对试样内部的浓度分布产生显著影响。当氧被溅射时，试样表面被均匀活化，这样可以清除牢固吸附在高铬合金和不锈钢表面的氧化膜。

图9-6 离子渗氮过程中工作表面的反应模型

（2）凝附 从阴极表面溅射出来的铁原子与靠近该表面的等离子体中活性很强的氮原子结合，生成氮化铁（FeN），氮化铁又吸附在阴极（工件）表面上，因此，凝附过程是由溅射效应而产生的。从理论上讲，在等离子体中形成的FeN的氮含量w（N）为20.05%，它凝附在连续冷却的表面上，并通过适当的冷却，大部分被保留在原有位置。事实上，通过对凝附物的化学分析发现，离子渗氮过程中形成的FeN的实际氮含量w（N）在19.7%以上，这种凝附物在高温下不稳定，由于温度和离子冲击的作用，将会分解为Fe₂N、Fe₃N、Fe₄N等低浓度的氮化物，我们可以假设这一过程为FeN→Fe₂N→Fe₃N→Fe₄N（见图9-6），并析出活性[N]原子，这些氮原子一部分向试样内部扩散，另一部分则返回等离子体中。

溅射和凝附这两个过程很大程度上取决于工作气体种类、气体总压力、电场电压、温度等，改变这些参数，可以调节这两个过程的相互关系。例如，在渗氮初期，为了清洁工件表面，可采用较低的气体压力，使粒子密度下降，碰撞概率减小，平均自由程长度增大，被溅射出的原子可以较远地飞离试样表面，逆向扩散的可能性减小；在渗氮的保温阶段，则采用较高的炉压，以保证工件表面有足够的活性原子浓度，逆向扩散的可能性提高，实现材料的渗氮处理。

（3）加热 离子轰击阴极时，绝大部分能量（约75%）转化为热能，使工件被加热升温，在离子渗氮、离子渗金属等处理过程中，可以不另外增加热源而仅靠离子轰击加热，就可达到所需的处理温度。温度升高，为活性原子向基体扩散提供了足够的能量。