等离子体表面改性技术的研究与发展 (2)

铸铁和合金钢来说，这是极为有利的。②低温等离子体氮化可在低于常规氮化的温度下进行，从而可以保持工件本体性能不变。③低温等离子体氮化过程所排放的气体无毒非爆，无环境污染。④低温等离子体氮化处理使工件表层的尺寸稳定性极好，没有脆性化合物剥落的倾向，也没有表面变粗的迹象。所以，低温等离子体氮化后，无需精磨或抛光就能直接使用。

等离子渗氮工艺的应用已很普遍。不锈钢工件在低温等离子体氮化后能提高表面硬度和耐磨性，而耐蚀性损失很小或几乎没有损失。大多数铝合金也可以进行低温等离子体氮化，但附着在铝件表面的氧化铝层对氮化起阻碍作用，不过可在氩等离子体中处理除去这一阻挡层。在模具方面的应用最为广泛，如3Cr2W8V钢压铸模、Cr12MoV钢压延模、M2钢冷挤压模、SCrMnMo钢热锻模经离子渗氮处理后的寿命一般可提高2--4倍。

2.2.2 低温等离子体渗碳

等离子休渗碳改性技术具有气体渗碳法难以得到的优良特性。其特点在于：①不产生晶界氧化。区别于一般常规气体渗碳在含有氧的气氛中进行，等离子体渗碳中，工件是在真空中加热的，因此，在工件的表面不会产生由氧化反应而引起晶界氧化，使疲劳强度、耐热性降低等。②表面含碳量易于控制。

等离子渗碳工艺是目前渗碳领域中较先进的工艺技术，是快速、优质、低能耗及无污染的新工艺。等离子渗碳具有高浓度渗碳、高渗层渗碳以及对于烧结件和不锈件钢等进行渗碳的能力。渗碳速度快，渗层碳浓度和深度容易控制，渗层致密性好。渗剂的渗碳效率高，渗碳件表面不产生脱碳层，无晶界氧化，表面清洁光亮，畸变小。处理后的工件耐磨性和疲劳强度均比常规渗碳高。 2.2.2 低温等离子体碳氮共渗

由于低温等离子体渗碳过程是低压供气，因此与常规气体渗碳相比，等离子体渗碳可瞬间更换反应室内的反应气体。这样就可通过多次循环渗碳渗氮处理，形成碳氮复合硬化层。氮化可以补充单靠渗碳所得不到的硬度，而渗碳可以来补 充需要长时间氮化才能得到的深度，以满足零件要求的性能。如果能有效地利用氮的等离子体，即使在650℃左右，也可以进行淬火硬化处理(含氮马氏体组织)。

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3. 等离子体电解沉积技术

等离子表面处理已被广泛应用于改善工具和工业组件的表面性能上，而等离子体电解沉积技术是一种新兴的快速表面改性技术。在特定的电解液中，如果阴阳两极间的电压超过一定范围，就会发生电解现象，这类电解可以称为等离子电解。等离子体电解沉积(Plasma electrolysis deposition，即PED)技术包括等离子体电解氧化(Plasma electrolysis oxidation，即PEO)和等离子体电解渗透(Plasma electrolysis saturation，即PES)。它们是根据被处理材料的不同而划分的。对Al、 Mg、Ti等有色金属及其合金材料的处理，应用的是PEO；对钢铁材料进行处理主要使用PES。[6]

3.1 等离子体电解氧化技术(PEO)

等离子体电解氧化技术又称微弧氧化，是一种新兴的能够在轻金属材料表面原位生长具有耐腐蚀、耐磨损性能陶瓷膜的环境友好的表面改性技术。 3.1.1 PEO工作原理及特性

PEO基本工作过程为：将待处理的材料浸入特定的电解液中作为一个电极，另有一个金属电极作为对应电极，在两极之间施加电压，将作用区域由普通的阳极氧化的Faraday区域引人到高压放电区域，同时伴随有弧光产生，此时电极在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下生成陶瓷膜层。

PEO克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提高了膜层的综合性能，使其具有特殊的结构和特性。PEO所用电解液一般为碱性电解液，不含有毒物质和重金属元素，对环境污染小、处理能力强、不需要真空或低温条件，且可调整工艺参数获得不同特性的膜层以满足不同需求。还可以采用不同的电解液对同一工件进行多次PEO处理，以获取具有多层不同性质的膜层。 3.1.2 PEO技术在材料改性中的应用

等离子体电解氧化技术作为一种新兴的表面处理技术，正日益受到人们的重视。通过该技术制备的陶瓷膜具备了阳极氧化膜和陶瓷涂层两者的优点，因此该技术在机械、汽车、国防、电子器材、航天、航海及建筑等领域有极其广阔的应用前景。目前，等离子体电解氧化技术已应用于轿车的发动机壳体、镁合金高压热水交换管、铝合金微型冲锋枪托架、铝合金发动机缸体等的表面处理。在军工方面，如耐高温的炮膛日、弹体等，等离子体电解氧化技术已经应用其中。

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3.2 等离子体电解渗透（PES）

等离子体电解渗透基本工作过程与PEO相似，电极在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下生成渗透层。

利用等离子体电解渗透技术可以实现渗N、C及C-N共渗过程。其电解液的选择比较简单，通常由有机化合物、易溶盐和水三部分组成，常用的有机化合物有甲酰胺 、尿素、乙醇胺等，作为电解质可以分别实现渗氮、渗碳和碳氮共渗。其制作工艺也非常简单，具体工艺流程如下：试样打磨——丙酮擦洗——等离子体渗透——水洗——酒精擦洗——自然干燥。 3.3等离子体电解沉积技术的展望

等离子体电解沉积技术方法在轻金属表面制备陶瓷涂层，其在机理、工艺、装备等方面都取得一定程度的发展与突破，所制备的涂层硬度高，摩擦磨损性能优良，耐腐蚀，耐高温、与基体的结合力强，在工业上有应用前景。但对电弧寿命、强度、温度等参数的控制尚需进一步研究。并且，PED方法对钢铁的处理，还处于探索阶段。通过努力，相信等离子体电解沉积技术在金属材料表面改性中会有更为广阔的应用。

4. 结束语

利用低温等离子体技术对金属材料进行表面改性是一种新兴的表面改性方法，具有高效、低温、无视线过程、可批量生产等优点。并且，其工艺过程简单，工艺参数易于控制，无环境污染，能实现对复杂工件的大面积改性处理且改性效果良好，有广阔的应用前景。近年来发展很快，中国的等离子体工艺研究相对来说还比较分散和薄弱，宜集中力量，联合攻关。在理论和技术突破后，该技术必将会大规模推广到工业生产中，会在提高金属材料的表面性能开创金属材料新的应用领域方面发挥非常重要的作用。

参考文献：

【1】王健工，马驰工，陈尔凡. 等离子体表面改性技术. 2012 【2】朱元右. 低温等离子体在金属材料表面改性中的应用. 2003 【3】王金双，赵步青，陆臻. 等离子体表面改性技术及其应用. 2001

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【4】金允文. 浅谈表面改性技术. 2000

【5】李敏，李惠东，李惠琪，孙玉宗. 等离子体表面改性技术的发展. 2004 【6】张荣，马颖，都远. 等离子体电解沉积表面技术及其发展. 2008

【7】王丽，付文，陈砺. 等离子体电解氧化技术金属材料表面改性的研究进展. 2011 【8】刘耀辉，李烦. 微弧氧化技术国内外研究进展. 2005

【9】王卫锋，蒋百灵，时惠英. 镁合金微弧氧化深色陶瓷膜制备及耐蚀性研究. 2007 【10】赵文轸. 材料表面工程导论. 西安交通大学出版社 【11】阎洪. 金属表面处理新技术. 冶金工业出版社 【12】聂学渊. 快速表面技术研究. 金属热处理

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