等離子體滲氮硬化金屬表面
實驗背景
滲氮是一種以氮原子滲入金屬或合金工件表面，形成一層以氮化物為主的滲層的化學熱處理方法。滲氮有三個基本過程：活性氮原子的產生、表面的吸收和氮原子的擴散。
利用滲氮工藝對金屬進行表面改性可以顯著提高某些金屬材料（如不鏽鋼、鋁及鋁的合金等）的硬度、耐腐蝕、抗磨擦、抗氧化、抗疲勞、熱穩定等效能，通過這些效能的提高可以極大的擴大這些金屬材料的應用領域。由上述種種優點，人們很早就展開了對滲氮工藝的研究。
自**冶金學家切爾諾夫2023年發現鋼在加熱和冷卻過程中有組織轉變，f.奧斯蒙德用熱分析法確定了鋼的相變臨界點溫度以及合金狀態圖的建立以來，熱處理從工匠手藝發展為科學技術只有百餘年歷史。在這段歷史中，無論是作為熱處理基礎的物理冶金理論還是實用生產技術都取得了輝煌成就，20世紀初，人們發現鋼鐵在氨氣中加熱能提高表面硬度和耐腐蝕性能，發明了氣體滲氮工藝；20世紀20年代，德國提出專門的滲氮用鋼將滲氮工藝用於工業生產；德國和美國於20世紀30年代初先後提出在氣體放電中進行滲氮法，並取得了專利權。
20世紀50年代，出現了在氰化物和氰酸鹽混合鹽浴中通入空氣的鹽浴軟氮化法。為了解決氣體滲氮生產周期長、滲層脆性大，以及鹽浴軟氮化的氰鹽毒害問題，20世紀60～70年代工業生產中相繼出現了離子滲氮法和氣體氮碳共滲法。在二次世界大戰期間，用此工藝處理過炮管。
到20世紀50年代，西德致力於研究和應用離子滲氮技術，2023年實現了工業應用。有廣泛工業應用前景的滲氮工藝也激起了學術界的研究熱潮，2023年，在法國首次舉行了國際離子熱處理學術討論會。
等離子體滲氮由於速度快、生產周期短、變形小、區域性滲氮方便、滲氮成本低、節電、汙染小等一系列優點，80年代中期以來已廣泛應用在工具機製造、交通運輸機械、動力機械、輕工機械、醫療機械和航天機械等領域。該項工藝對需要耐疲、耐磨損的零部件進行處理取得了良好的效果。我國離子滲氮的研究起步較早，開始於20世紀60年代末，發展很快，在裝置、工藝、效能檢測和基礎理論等方面，進行了廣泛的研究。
目前我國已有離子化學熱處理裝置上千臺，並有系列產品廣泛應用，取得了明顯的技術和經濟效益。總的說來，在該技術領域我國已躋身於國際先進水平行列。
一. 實驗目的
1. 了解等離子體氮化在金屬材料表面改性中的應用
2. 掌握等離子體氮化的原理、方法及測試表徵方法
二. 實驗裝置及材料
多功能微波等離子體裝置、顯微硬度計、鈦片、氫氣（高純，99.995％）、氮氣（高純，99.995％）
三. 實驗原理
1. 實驗裝置及工作原理
等離子體滲氮工藝研究實驗在800w多功能微波等離子裝置（圖1）上進行。由微波源產生的頻率為2.45ghz的微波，沿bj22矩形波導管以te10模式沿矩形波導向前傳播，經環行器、三螺釘阻抗調配器後到微波諧振腔，依靠調整短路活塞使微波能量集中到反應腔中，從而激發氣體放電產生等離子體形成軸對稱的等離子體球，等離子體球的直徑大小取決於真空沉積室中氣體壓力和微波功率。
基片加熱採用等離子體自加熱方式，根據裝置配置的不同，基片溫度可以通過水冷或調節等離子體的引數以及等離子體與基片的接觸狀態來控制。氮氣與氫氣的混合氣體吸收微波的能量發生離解而產生大量的原子、離子或活性基團，在等離子體的作用下與鈦片的表層反應形成氮化鈦。隨著反應時間的延長，氮化反應逐漸向鈦片內部擴散。
該裝置產生的微波等離子體有許多優點：無內部電極，可避免放電汙染，執行氣壓範圍寬，能量轉換效率高，可產生大範圍的高密度等離子體。
圖 1多功能微波等離子體裝置
（1、磁控管 2、水負載 3、環行器 4、三螺釘阻抗調配器
5、基片臺 6、反應室抽氣口 7、石英管反應室 8、波導管）
2. 滲氮層的表徵方法
2.1 x射線衍射(x-ray diffraction, xrd)
x射線物相分析在金屬、陶瓷、建築材料礦物等研究方面應用最多，根據試樣的衍射線位置、數目及相對強度等確定試樣中包含有哪些結晶物質以及它們的相對含量。實驗中通過樣品滲氮層進行x射線衍射，再分析得到的衍射圖譜，從一些特殊的峰位上計算出d值，然後查哈那瓦特索引找出對應d值的物相，從而得到滲氮層的相結構。
2.2 掃瞄電子顯微鏡（scanning electron microscopy, sem）
掃瞄電鏡具有解析度高，焦深長的特點，影象立體感強，放大倍數高，樣品製備簡單，是研究微觀形貌的重要工具之一。觀察樣品的速度快，一般不超過半小時。sem用來研究塊狀物體，包括冶金產物、礦物光片以及生物組織等。
它和tem一樣，廣泛用於上述各學科領域，並可發展質量控制，而且還不斷發展擴大。展示表面亞微公尺尺度的形貌特徵，放大倍數可達35~40000倍，具有較高的解析度（2~10nm）和景深。它是表徵物質表面形貌應用最廣泛、理想技術之一。
實驗中用其來樣品滲氮後的斷面，從而可分析滲氮後的形貌差別及滲氮層的深度。
2.3 維氏硬度壓痕法
滲氮層的脆性多用壓痕的完整性來評定。採用維氏硬度計，試驗力為98.07n時時對滲氮的試樣緩慢載入，卸去載荷後觀察壓痕狀況，依其邊緣的完整性將滲氮層脆性分為5級。
壓痕邊角完整無缺為1級；壓痕一邊或一角碎裂為2級；壓痕二邊二角碎裂為3級；壓痕三邊三角碎裂為4級；壓痕四邊或四角碎裂為5級。
四. 實驗內容及步驟
（一）實驗內容
1. 利用顯微硬度計測量滲氮前鈦片表面硬度，各測量3次，並記錄；
2. 記錄滲氮時的工作壓力、微波功率、氮化時間及氮化溫度；測量滲氮後鈦片表面硬度，各測量3次，並記錄。
（二）實驗步驟
1. 將鈦片進行表面金相拋光，在金相顯微鏡下觀察其結構，利用顯微硬度計測量其表面硬度，各測量3次，並記錄。
2.開啟多功能微波等離子體裝置的真空室，放入一塊鈦片，將作了金相拋光且作了硬度測量的面向上放置後蓋上上法蘭；檢查電路，冷卻水連線是否正常；按順序開啟總電源、開啟水冷迴圈系統、開啟機械幫浦抽真空、開啟隔膜閥粗閥、開啟真空計、開啟氫氣和氮氣分壓閥開關；當真空抽至20pa以下時關閉熱阻真空計，然後關閉隔膜閥粗閥，調節氫氣和氮氣的流量計通入適當比例的氮氣與氫氣的混合氣體，之後開啟高壓開關調節高壓旋鈕激發等離子體，調節隔膜閥的微調閥使氣壓公升至工作氣壓，開始滲氮實驗。滲氮實驗結束後，調節高壓旋鈕至零，按順序關閉高壓開關、關閉氣體流量計、開啟隔膜閥抽真空（可以通入少量的氫氣）；當基片冷卻至室溫後，按順序關閉氣瓶、關閉機械幫浦、關閉冷卻水系統、關閉總電源、將真空室放空，最後取出樣品。
3. 利用顯微硬度計測量滲氮後鈦表面硬度，各測量3次，並記錄。
五. 實驗結果與分析
硬度是評價滲氮工藝的乙個重要參量。首先對各試樣滲氮前的基體用顯微硬度計檢測其硬度，然後測量樣品經等離子體滲氮處理後的表面硬度，並將測量結果記錄在表一中。
表一等離子體氮化處理條件
六. 思考題
1. 等離子體表面改性技術在工業上有哪些應用，並簡要舉例說明。
2. 樣品經滲氮後表面硬度有明顯提高，滲氮表面進行打磨後表面硬度是否有進一步的提高，為什麼？
等離子體物理
姓名 學號 專業 物理 班級 物理111 第四態你曾看到過南北兩極美麗的極光嗎?你在意過冬日流過眼眸底下明亮的火焰嗎?你還記得雨天天空裡閃過的閃電嗎?你看過科幻電影裡的太陽表面和星雲的外表嗎?你深入了解過它們是什麼嗎?我們都知道生活中有固 液 氣三種物質,大多數我們可以判斷一種物質是處於什麼態,可是...
等離子體技術
plasma technology 應用等離子體發生器產生的部分電離等離子體完成一定工業生產目標的手段。等離子體的溫度高，能提供高焓值的工作介質，生產常規方法不能得到的材料，加之有氣氛可控 裝置相對簡單 能顯著縮短工藝流程等優點，所以等離子體技術有很大發展。1879年w.克魯克斯指出放電管中的電離氣...
等離子體點火安全注意事項
3.1.4 調節磨煤機出口分離器擋板開度或旋轉分離器轉速，適當控制煤粉細度，入爐煤收到基揮發分var 20 aar 35 的煤種，煤粉細度宜r90 15 入爐煤收到基揮發分var 20 aar 40 的煤種，煤粉細度宜r90 10 3.1.5 初始投入煤量應盡可能滿足點火最佳濃度的要求 濃度0.2 ...