２０１１年全国石油化工机泵年会会刊
等离子体表面技术及其应用
卫中山
汉胜工业设备（上海）有限公司
摘要：介绍了离子注入、离子束沉积、等离子体增强化学气相沉积、等离子体化学热处理、双层辉光离子渗金属、等离子喷涂和高分子材料表面改性等等离子体表面处理技术的基本原理和工艺特点。并给出了一些应用实例。关键词：等离子体；表面强化；表面改性
现代工业的迅猛发展和人们对环保的要求越来越高，大大促进了材料表面工程技术的进步。其中，等离子体技术的应用，有力地推动着表面工程的发展，并形成了等离子体表面技术这样一个活跃的分支，正在发挥出越来越重要的作用。本文对各种等离子体表面处理技术的原理及特点做了介绍，并介绍了一些应用情况。
１
２等离子体表面技术及其应用
２．１
离子注入
离子注入技术早期主要用于半导体材料的表面
精细掺杂，随着强流氮离子注入机的出现，氮离子注入金属材料迅速步人工业实用阶段。国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通的低碳钢，由于采用了离子注入处理，耐
等离子体表面技术的物理基础
当对某一物质从低温开始加热时，从固态逐渐
磨性大大提高，使用寿命是我国同类产品的几倍到
几十倍‘１１。
但是，氮离子注入固溶强化的热稳定性差，工件在４００～５００ｏＣ高温下使用时，氮离子会很快扩散而失去强化效果，这就限制了其应用范围。１９８５年，
熔化变成液态，进而蒸发成气态。进一步继续加热，温度升高，单个原子将电离成电子和带正电的离子，形成了固态、液态、气态之外的物质第四态，即等离子体。等离子体整体呈中性，但有相当数量的电子和离子，表现相应的电磁学性能，如等离子体中有带电粒子的热运动和扩散，也有电场作用下的迁移。等离子体是一种物质能量较高的聚集状态，它的能量范围比气态、液态、固态物质都高…。
在等离子体与材料表面相互作用的过程中，等离子体发挥着两种基本功能：一是温度高达１０４Ｋ以上的高能电子与中性气体分子的碰撞能轧断化学键，激活工作气体，产生大量的化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团），从而使得原本需要在高温下进行的化学反应在较低的温度下即可实现。二是等离子体中的高能粒子加速冲向基体，轰击基体表面，一方面使材料表面的原子和基团通过分解、溅射、刻蚀等脱离基体表面；另一方面，通过注入、基团置换、聚合等在材料表面引入新的原子或分子¨引。这样就使材料表面的成分、结构和应力分布发生变化，达到表面强化和表面改性的目的。
Ｂｒｏｗｎ发明了一种强流金属离子源——金属蒸汽真
空电弧（ＭＥＶＶＡ）离子源，它的出现使得高剂量、大面积的金属离子注入变得简单易行。高速钢铣刀经Ｔｉ：３×１０＂／ｃｍ２注入，加工不锈钢工件时使用寿命提高了２０倍。Ｈ１３钢铝型材挤压模具经Ｔｉ＋Ｃ双注入后，提高使用寿命３０倍以上”Ｊ。
图１是ＴＣＡ钛合金经Ｍｏ：２
Ｘ
１０１‘７／ｃｍ２注入后
表面形貌的变化，试样表面的加工刀痕消失，凸峰高度降低，表面粗糙度得到明显改善１４Ｊ。图２是试样在应力比为０．１，最大循环应力分别为６６０ＭＰａ和
７４０
ＭＰａ时的疲劳试验结果，可以看到Ｍｏ离子注入传统的离子注入技术具有视线限制，不能处理
使ＴＣＡ钛合金的疲劳寿命提高了１．６—２．１倍。形状复杂、体积较大的工件。等离子体浸没离子注入（Ｐｉｌｌ）技术克服了这个限制。如图３所示，在工艺过程中，加上负脉冲高压的工件直接被外部等离子体源产生的等离子体浸没包围，交界处形成等离
・技术交流・
子鞘层，正高子在鞘层位降的作用下樽到加速，从各个方向同Ｈ『注人工件”。对飞机液脏泵ｆｉｄｉｆｉｌ盘进行氰等离子体浸没注人，－ｎ￡材料表面形成＋ＦｉＮ，
ＣｒＮ超硬层．使其蚶磨性叫娃提高，产品寿命趟过国际州类水平…。但对于小古Ｔｉ．Ｃｒ、Ｖ等元素的台余．氟离子注＾仍不能取得好的效果。
口１试样∞裹面＊ｎ
表面将可以沉积一层金属薄膜，称为离子束沉积技术。利用真空电弧等离子体沉积是一种理想的薄膜制备技术，它具有很高的沉积速率。然而真空电弧产生的等离子体中存在阴极材料的大随滴或微粒一宏观粒子，影响薄膜质量。一胄殳采，｝ｊ圆弧磁过滤器
Ｅ｛＃■＝￡
来滤除出观粒子“。
为ｒ改善膜层’基体的结合力．近年来又发展了离子束增强沉积技术．它将离子注人与燕镀，溅射镀膜技术融为一体．通过离子柬轰击促进不同原子问的丰Ｈ互混合和渗透．既克服了一般镀膜技术中膜
目２试样的瘟劳寿命
基结合不良的缺点，又将改性层厚度从普通离子注人的不到０
ＭＥＶＶＡ离子踩技术与ＰＩＩＩ技术相结合．产生ｒ金属等离子体浸没离子注入技术（ＭＰＩＩＩ），使注＾离子的种类由气态离子扩展为几乎所有元素的离子，极大地扩展丁ＰＩｌｌ技术的应用领域。利用ＭＰＩＩＩ
２岬提高到了几微米甚至几十微米。
如果使用Ｎ、Ｃ或Ｏ作为轰击柬，那么沉积膜将合成为超硬层。用这种方法在拉制玻璃管用的模具上沉
积厚度为５—１９“ｍ的铂膜．模具寿命从１—２个月提高到馆个月”１。
２
技术时９Ｃｒｌ８钢表面进行金属离子加氮离子复台注
入处理，可以获得比只用氮离子Ｐｉｌｌ处理更好的抗磨损、扰腐蚀和减摩特性”１。
３等离子体增强化学气相沉积
在低点市条件下．利用硅烷娄气体、氯气或氨
气．通过射频电场产生辉光放电．形成等离子体，可
眦在常温至３５０℃条件下沉积特种薄膜，这种工艺称为等离子体增强化学气相沉积（ＰＣＶＤ）。采用ＦＣＶＤ技术在金属布线后的半导体器件和集成电路
芯片表面说稃｛Ｓｉ…Ｎ
口３等囊｝体＊＆离｝＆＾Ⅲ瑶
２
ＳｉＯ，或非晶硅等钝化膜．可显
著提高其稳定性与可靠性‘“。
用的仍是Ｈ…Ｎ、ＴｉＣｌ。．这些气体在６００℃以下便可
在工件表面形成ＴｉＮ涂层。通过调整原料气，也可以沉积ＴｉＡＩＮ等涂层．满足刀具、模具的特殊要求。金刚ｆｉ膜和类金剐石膜在刀具涂屡．玻璃保护膜和电子行业具有广泛的廊用．ＰＥＶＤ是其主要制各方
用ＰＣＶＤ技术在模具、刀具表面沉秘ＴｉＮ时．使
２离子柬沉积技术
金属蒸汽真空弧放电能产生高密度金属等离子
体．如果把金属等离子体直接引入真孛室，当工件加
Ｅ一定数值的伍偏压时．处在等离子体中的工件．其
技术交流
ｅ６１１
２０１１年全国石油化工机泵年会会刊
法‘１＇８１。
２．４等离子体化学热处理
等离子体化学热处理是利用辉光放电来激活工艺所需的气体源，产生大量的正离子，在电场的作用下以极快的速度冲向作为阴极的工件表面，在工件表面发生热交换、溅射、注入与扩散，以及化学反应等过程，获得所需渗层。主要包括离子渗氮、离子渗碳和碳氮共渗、真空离子渗硫等工艺。等离子体化学热处理可以在较低的温度下进行，减小工件变形，而且渗速快，工艺时间可以比气体渗氮或渗碳缩短７０％以上，并能够较好地控制工件表面最终的组织结构，渗层质量好。
离子渗氮在技术上最为成熟，可以通过控制工艺参数获得韧性较好的单相１’化合物层，使渗氮层的脆性减小。该工艺可用于轻载、高速条件下工作的耐磨耐蚀件及精度要求较高的细长杆类件。３８ＣｒＭｏＡＩ材质的飞机用空心滚珠丝杠，滚道部分长
８１３
ｍｍ，在离子炉中采用二段渗氦工艺进行渗氮：
５２０℃Ｘ１２ｈ＋５８０℃×８ｈ，渗氮层厚度大于０．４
ｍｍ，表面硬度ＨＶｌ０６２旧１。在离子渗氮气氛中同时通入含碳气体（如丙酮、乙醇蒸气或丙烷），就是所谓的离子软氮化。含碳气体抑制了１’相的生长，容易获得８相为主的化合物层，有利于提高耐磨性和耐蚀性，可应用于齿轮、缸套、模具、刃具的表面强化‘２｜。
２．５双层辉光离子渗金属
双层辉光离子渗金属技术的主要用途是在可导电材料表面形成具有特殊性能的合金层，厚度可从几微米到几百微米。如图４所示，在一个真空室内设置阳极、阴极（工件），以及由欲渗合金元素组成的源极，抽真空并充以惰性气体达到工作气压后，接通直流电源，使阳极和阴极、阳极和源极之间分别产生辉光放电。离子轰击使源极溅射出合金元素并冲向工件，而工件经离子轰击而加热到高温，合金元素借助于轰击和扩散渗入表面，从而形成含有欲渗金属元素的表面合金层。采用该技术对２０ＣｒＶ２锯条坯料渗钨钼铬钒处理及渗碳处理后，切削性能达到英国双金属高速钢锯条标准一Ｊ。该技术还可用于阀门、管接头、胶体磨转子和定子的表面合金化处理。
２．６等离子喷涂
等离子喷涂是用刚性非转移等离子弧为热源，以喷粉末材料为主的热喷涂技术。它以氮、氩等气体作为工作介质，在高频电源的作用下，产生压缩型
《》
电弧，弧柱中的气体发生电离而成为等离子体，此时向送粉管中输送粉状材料，粉料在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷送到工件表面，形成涂层。为了提高涂层的质量，近年来又发展了超音速等离子喷涂和低压等离子喷涂。除了常用的耐磨与减摩涂层、耐腐蚀涂层，一些功能涂层如超导涂层、生物功能涂层、压电陶瓷涂层等也取得了一些进展。
重载车辆行星框架的使用寿命一般不超过
６０００
ｋｍ，损坏部位主要是ｑｂｌ７５ｍｍ内圆密封环配合面。磨损超差后采用等离子喷涂修复，仅用了
Ｏ．２５
ｋｇ的铁基合金粉末，而相对耐磨性是新品的
２．２５倍，使用寿命大于１２０００
ｋｍ以上，修理费用仅
为新品的十分之一ｌｌ０｜。在往复泵柱塞表面等离子喷涂ＳｉＣ涂层，可以增加柱塞和填料的寿命，改善密封性能。
图４双层辉光离子渗金属原理图
２．７高分子材料表面改性
通过低温等离子体表面处理，高分子材料表面发生多种物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。Ｎ２、Ａｒ、０２、ＣＨ。一０２及Ａｒ—ＣＨ。一０２等几种常用的离子体均能改善硅橡胶的亲水性，其中ＣＨ。－Ｏ：和Ａｒ．ＣＨ。－Ｏ：的效果更佳。英国某制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中，提高了塑料的润湿率。
以等离子体接枝聚合进行高分子材料表面改性，接枝层同表面分子以共价键结合，可获得优良、耐久的改性效果。将聚酯纤维进行辉光放电等离子体处理与丙烯酸接枝聚合，改性后纤维吸水性大幅度提高，同时抗静电性能也有改善。用低温氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝改性，接枝后涤纶织物的上染百分率、染色深度及亲水性都有明显提高¨“。
聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）是一种具有优异综合性能
・技术交流・
的工程塑料，但是由于分子结构高度对称，结晶度高且不含活性基团，导致其表面能很低，表面疏水性极高（与水接触角超过１００。）。这种极低的表面活性严重影响了其应用，特别是限制了ＰＴＦＥ薄膜与其
它材料的复合¨引。利用氩等离子体预处理珂ＦＥ
薄膜，经空气氧化后接枝丙烯酸，可以使接触角由１１０。降至６０。左右，亲水性大幅提高¨３｜。
３结束语
等离子体表面技术已在精密工具、模具和航空工业中得到一些应用，但是其深度广度仍很不够。从今后的发展看，还需在以下方面加大投入：高能粒子与材料表面相互作用机理，以及微观组织结构的形成、演化机制；温度场的精确测定；残余应力控制和微裂纹的解决；表面处理质量在线监控技术；工业化大型表面处理设备等。总而言之，通过推广应用等离子体表面技术来提高产品质量，增强市场竞争力，是我国企业面临的一个挑战和机遇。
参考文献
［１】徐滨士．朱绍华．表面工程的理论与技术［Ｍ］．北京：国防工
业出版社。１９９９．
・技术交流・
２０１１《化工设备与管道》增刊二
［２］李敏，李惠东．孙玉宗．等离子体表面改性技术的发展［Ｊ］．金属热处理。２００４，２９（７）：５－９．
［３］
张荟基．先进离子束注入技术的工业应用［Ｊ】．材料导报。２００１，１５（２）：４．４．
［４】
卫中山，王珉，左敦稳。Ｌａ、Ｍｏ离子注入ＴＣ４合金表面粗糙度变化研究［Ｊ］．特种铸造及有色合金。２００３，２３（４）：１－３．
［５］
曾照明。汤宝寅，王松雁．表面凹陷对等离子体浸没离子注入均匀性的影响［Ｊ］．计算物理。２０００，１７（４）：４４９－４５４．［６］赵青，耿漫．等离子体浸没离子注入（Ｐｉｌｌ）技术在现代材料表面改性中的应用及发展［Ｊ］．真空。２０００（１）：４０－４２．
［７］
汤宝寅，王松雁，曾照明．９Ｃｒｌ８轴承钢的金属离子加氮离子复合注入处理新工艺［Ｊ］．中国表面工程，２０００。１３（４）：２４－
２８．
［８］
Ｕｕ
ＸＨ．Ｒｅｃｅｎｔａｄｖａｎｃｅｉｎｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄ
ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｉｎ
Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｓｕｒｆｅｃｅ
ＣｏａｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００．１３１：２６ｌ－２６６．
［９】高原，徐晋勇，徐重．双层辉光离子渗金属技术特点［Ｊ】．中国工程科学，２００８。１０（２）：２６－３０．
［１０］徐滨士，马世宁，刘世参．２ｌ世纪的再制造工程［Ｊ］．中国机械工程，２０００，ｌｌ（１）：３６－３８．
王雪燕．低温等离子体接枝聚合用于涤纶织物改性［Ｊ］．印染，１９９７。２３（３）：５｛．
［１２］李栋，谢学民，尹陆生．聚四氟乙烯低温等离子体表面改性研究进展［Ｊ］．有机氟工业，２０１ｌ（１）：１７．２３．
［１３］游利锋，王琛．Ａｒ等离子体对聚四氟乙烯膜的表面改性［Ｊ］．河南工程学院学报（自然科学版），２０１０。２２（１）：５３．５７．
２０１１年全国石油化工机泵年会会刊
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卫中山
汉胜工业设备（上海）有限公司
摘要：介绍了离子注入、离子束沉积、等离子体增强化学气相沉积、等离子体化学热处理、双层辉光离子渗金属、等离子喷涂和高分子材料表面改性等等离子体表面处理技术的基本原理和工艺特点。并给出了一些应用实例。关键词：等离子体；表面强化；表面改性
现代工业的迅猛发展和人们对环保的要求越来越高，大大促进了材料表面工程技术的进步。其中，等离子体技术的应用，有力地推动着表面工程的发展，并形成了等离子体表面技术这样一个活跃的分支，正在发挥出越来越重要的作用。本文对各种等离子体表面处理技术的原理及特点做了介绍，并介绍了一些应用情况。
１
２等离子体表面技术及其应用
２．１
离子注入
离子注入技术早期主要用于半导体材料的表面
精细掺杂，随着强流氮离子注入机的出现，氮离子注入金属材料迅速步人工业实用阶段。国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通的低碳钢，由于采用了离子注入处理，耐
等离子体表面技术的物理基础
当对某一物质从低温开始加热时，从固态逐渐
磨性大大提高，使用寿命是我国同类产品的几倍到
几十倍‘１１。
但是，氮离子注入固溶强化的热稳定性差，工件在４００～５００ｏＣ高温下使用时，氮离子会很快扩散而失去强化效果，这就限制了其应用范围。１９８５年，
熔化变成液态，进而蒸发成气态。进一步继续加热，温度升高，单个原子将电离成电子和带正电的离子，形成了固态、液态、气态之外的物质第四态，即等离子体。等离子体整体呈中性，但有相当数量的电子和离子，表现相应的电磁学性能，如等离子体中有带电粒子的热运动和扩散，也有电场作用下的迁移。等离子体是一种物质能量较高的聚集状态，它的能量范围比气态、液态、固态物质都高…。
在等离子体与材料表面相互作用的过程中，等离子体发挥着两种基本功能：一是温度高达１０４Ｋ以上的高能电子与中性气体分子的碰撞能轧断化学键，激活工作气体，产生大量的化学活性粒子（活化分子、离子、原子等基团），从而使得原本需要在高温下进行的化学反应在较低的温度下即可实现。二是等离子体中的高能粒子加速冲向基体，轰击基体表面，一方面使材料表面的原子和基团通过分解、溅射、刻蚀等脱离基体表面；另一方面，通过注入、基团置换、聚合等在材料表面引入新的原子或分子¨引。这样就使材料表面的成分、结构和应力分布发生变化，达到表面强化和表面改性的目的。
Ｂｒｏｗｎ发明了一种强流金属离子源——金属蒸汽真
空电弧（ＭＥＶＶＡ）离子源，它的出现使得高剂量、大面积的金属离子注入变得简单易行。高速钢铣刀经Ｔｉ：３×１０＂／ｃｍ２注入，加工不锈钢工件时使用寿命提高了２０倍。Ｈ１３钢铝型材挤压模具经Ｔｉ＋Ｃ双注入后，提高使用寿命３０倍以上”Ｊ。
图１是ＴＣＡ钛合金经Ｍｏ：２
Ｘ
１０１‘７／ｃｍ２注入后
表面形貌的变化，试样表面的加工刀痕消失，凸峰高度降低，表面粗糙度得到明显改善１４Ｊ。图２是试样在应力比为０．１，最大循环应力分别为６６０ＭＰａ和
７４０
ＭＰａ时的疲劳试验结果，可以看到Ｍｏ离子注入传统的离子注入技术具有视线限制，不能处理
使ＴＣＡ钛合金的疲劳寿命提高了１．６—２．１倍。形状复杂、体积较大的工件。等离子体浸没离子注入（Ｐｉｌｌ）技术克服了这个限制。如图３所示，在工艺过程中，加上负脉冲高压的工件直接被外部等离子体源产生的等离子体浸没包围，交界处形成等离
・技术交流・
子鞘层，正高子在鞘层位降的作用下樽到加速，从各个方向同Ｈ『注人工件”。对飞机液脏泵ｆｉｄｉｆｉｌ盘进行氰等离子体浸没注人，－ｎ￡材料表面形成＋ＦｉＮ，
ＣｒＮ超硬层．使其蚶磨性叫娃提高，产品寿命趟过国际州类水平…。但对于小古Ｔｉ．Ｃｒ、Ｖ等元素的台余．氟离子注＾仍不能取得好的效果。
口１试样∞裹面＊ｎ
表面将可以沉积一层金属薄膜，称为离子束沉积技术。利用真空电弧等离子体沉积是一种理想的薄膜制备技术，它具有很高的沉积速率。然而真空电弧产生的等离子体中存在阴极材料的大随滴或微粒一宏观粒子，影响薄膜质量。一胄殳采，｝ｊ圆弧磁过滤器
Ｅ｛＃■＝￡
来滤除出观粒子“。
为ｒ改善膜层’基体的结合力．近年来又发展了离子束增强沉积技术．它将离子注人与燕镀，溅射镀膜技术融为一体．通过离子柬轰击促进不同原子问的丰Ｈ互混合和渗透．既克服了一般镀膜技术中膜
目２试样的瘟劳寿命
基结合不良的缺点，又将改性层厚度从普通离子注人的不到０
ＭＥＶＶＡ离子踩技术与ＰＩＩＩ技术相结合．产生ｒ金属等离子体浸没离子注入技术（ＭＰＩＩＩ），使注＾离子的种类由气态离子扩展为几乎所有元素的离子，极大地扩展丁ＰＩｌｌ技术的应用领域。利用ＭＰＩＩＩ
２岬提高到了几微米甚至几十微米。
如果使用Ｎ、Ｃ或Ｏ作为轰击柬，那么沉积膜将合成为超硬层。用这种方法在拉制玻璃管用的模具上沉
积厚度为５—１９“ｍ的铂膜．模具寿命从１—２个月提高到馆个月”１。
２
技术时９Ｃｒｌ８钢表面进行金属离子加氮离子复台注
入处理，可以获得比只用氮离子Ｐｉｌｌ处理更好的抗磨损、扰腐蚀和减摩特性”１。
３等离子体增强化学气相沉积
在低点市条件下．利用硅烷娄气体、氯气或氨
气．通过射频电场产生辉光放电．形成等离子体，可
眦在常温至３５０℃条件下沉积特种薄膜，这种工艺称为等离子体增强化学气相沉积（ＰＣＶＤ）。采用ＦＣＶＤ技术在金属布线后的半导体器件和集成电路
芯片表面说稃｛Ｓｉ…Ｎ
口３等囊｝体＊＆离｝＆＾Ⅲ瑶
２
ＳｉＯ，或非晶硅等钝化膜．可显
著提高其稳定性与可靠性‘“。
用的仍是Ｈ…Ｎ、ＴｉＣｌ。．这些气体在６００℃以下便可
在工件表面形成ＴｉＮ涂层。通过调整原料气，也可以沉积ＴｉＡＩＮ等涂层．满足刀具、模具的特殊要求。金刚ｆｉ膜和类金剐石膜在刀具涂屡．玻璃保护膜和电子行业具有广泛的廊用．ＰＥＶＤ是其主要制各方
用ＰＣＶＤ技术在模具、刀具表面沉秘ＴｉＮ时．使
２离子柬沉积技术
金属蒸汽真空弧放电能产生高密度金属等离子
体．如果把金属等离子体直接引入真孛室，当工件加
Ｅ一定数值的伍偏压时．处在等离子体中的工件．其
技术交流
ｅ６１１
２０１１年全国石油化工机泵年会会刊
法‘１＇８１。
２．４等离子体化学热处理
等离子体化学热处理是利用辉光放电来激活工艺所需的气体源，产生大量的正离子，在电场的作用下以极快的速度冲向作为阴极的工件表面，在工件表面发生热交换、溅射、注入与扩散，以及化学反应等过程，获得所需渗层。主要包括离子渗氮、离子渗碳和碳氮共渗、真空离子渗硫等工艺。等离子体化学热处理可以在较低的温度下进行，减小工件变形，而且渗速快，工艺时间可以比气体渗氮或渗碳缩短７０％以上，并能够较好地控制工件表面最终的组织结构，渗层质量好。
离子渗氮在技术上最为成熟，可以通过控制工艺参数获得韧性较好的单相１’化合物层，使渗氮层的脆性减小。该工艺可用于轻载、高速条件下工作的耐磨耐蚀件及精度要求较高的细长杆类件。３８ＣｒＭｏＡＩ材质的飞机用空心滚珠丝杠，滚道部分长
８１３
ｍｍ，在离子炉中采用二段渗氦工艺进行渗氮：
５２０℃Ｘ１２ｈ＋５８０℃×８ｈ，渗氮层厚度大于０．４
ｍｍ，表面硬度ＨＶｌ０６２旧１。在离子渗氮气氛中同时通入含碳气体（如丙酮、乙醇蒸气或丙烷），就是所谓的离子软氮化。含碳气体抑制了１’相的生长，容易获得８相为主的化合物层，有利于提高耐磨性和耐蚀性，可应用于齿轮、缸套、模具、刃具的表面强化‘２｜。
２．５双层辉光离子渗金属
双层辉光离子渗金属技术的主要用途是在可导电材料表面形成具有特殊性能的合金层，厚度可从几微米到几百微米。如图４所示，在一个真空室内设置阳极、阴极（工件），以及由欲渗合金元素组成的源极，抽真空并充以惰性气体达到工作气压后，接通直流电源，使阳极和阴极、阳极和源极之间分别产生辉光放电。离子轰击使源极溅射出合金元素并冲向工件，而工件经离子轰击而加热到高温，合金元素借助于轰击和扩散渗入表面，从而形成含有欲渗金属元素的表面合金层。采用该技术对２０ＣｒＶ２锯条坯料渗钨钼铬钒处理及渗碳处理后，切削性能达到英国双金属高速钢锯条标准一Ｊ。该技术还可用于阀门、管接头、胶体磨转子和定子的表面合金化处理。
２．６等离子喷涂
等离子喷涂是用刚性非转移等离子弧为热源，以喷粉末材料为主的热喷涂技术。它以氮、氩等气体作为工作介质，在高频电源的作用下，产生压缩型
《》
电弧，弧柱中的气体发生电离而成为等离子体，此时向送粉管中输送粉状材料，粉料在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷送到工件表面，形成涂层。为了提高涂层的质量，近年来又发展了超音速等离子喷涂和低压等离子喷涂。除了常用的耐磨与减摩涂层、耐腐蚀涂层，一些功能涂层如超导涂层、生物功能涂层、压电陶瓷涂层等也取得了一些进展。
重载车辆行星框架的使用寿命一般不超过
６０００
ｋｍ，损坏部位主要是ｑｂｌ７５ｍｍ内圆密封环配合面。磨损超差后采用等离子喷涂修复，仅用了
Ｏ．２５
ｋｇ的铁基合金粉末，而相对耐磨性是新品的
２．２５倍，使用寿命大于１２０００
ｋｍ以上，修理费用仅
为新品的十分之一ｌｌ０｜。在往复泵柱塞表面等离子喷涂ＳｉＣ涂层，可以增加柱塞和填料的寿命，改善密封性能。
图４双层辉光离子渗金属原理图
２．７高分子材料表面改性
通过低温等离子体表面处理，高分子材料表面发生多种物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。Ｎ２、Ａｒ、０２、ＣＨ。一０２及Ａｒ—ＣＨ。一０２等几种常用的离子体均能改善硅橡胶的亲水性，其中ＣＨ。－Ｏ：和Ａｒ．ＣＨ。－Ｏ：的效果更佳。英国某制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中，提高了塑料的润湿率。
以等离子体接枝聚合进行高分子材料表面改性，接枝层同表面分子以共价键结合，可获得优良、耐久的改性效果。将聚酯纤维进行辉光放电等离子体处理与丙烯酸接枝聚合，改性后纤维吸水性大幅度提高，同时抗静电性能也有改善。用低温氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝改性，接枝后涤纶织物的上染百分率、染色深度及亲水性都有明显提高¨“。
聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）是一种具有优异综合性能
・技术交流・
的工程塑料，但是由于分子结构高度对称，结晶度高且不含活性基团，导致其表面能很低，表面疏水性极高（与水接触角超过１００。）。这种极低的表面活性严重影响了其应用，特别是限制了ＰＴＦＥ薄膜与其
它材料的复合¨引。利用氩等离子体预处理珂ＦＥ
薄膜，经空气氧化后接枝丙烯酸，可以使接触角由１１０。降至６０。左右，亲水性大幅提高¨３｜。
３结束语
等离子体表面技术已在精密工具、模具和航空工业中得到一些应用，但是其深度广度仍很不够。从今后的发展看，还需在以下方面加大投入：高能粒子与材料表面相互作用机理，以及微观组织结构的形成、演化机制；温度场的精确测定；残余应力控制和微裂纹的解决；表面处理质量在线监控技术；工业化大型表面处理设备等。总而言之，通过推广应用等离子体表面技术来提高产品质量，增强市场竞争力，是我国企业面临的一个挑战和机遇。
参考文献
［１】徐滨士．朱绍华．表面工程的理论与技术［Ｍ］．北京：国防工
业出版社。１９９９．
・技术交流・
２０１１《化工设备与管道》增刊二
［２］李敏，李惠东．孙玉宗．等离子体表面改性技术的发展［Ｊ］．金属热处理。２００４，２９（７）：５－９．
［３］
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