4　　材料表面改性技术
4．1 概　　述
　　材料表面改性技术是表面技术中的重要组成。这里所指的是金属材料表面改性，它主要有金属表面形变强化；表面相变硬化；金属表面扩渗；等离子表面处理；电子束表面处理；激光束表面处理；离子注入技术等。
　　金属表面强化(如喷丸强化)是提高机械零部件疲劳断裂抗力、应力腐蚀、氢脆断裂抗力的一种行之有效的表面处理强化技术。
　　金属表面相变硬化是—一种使材料基体韧度不变，通过感应加热淬火，火焰加热淬火，激光或电子束加热淬火等方法来显著提高金属材料表面硬度的一种强化技术，具有加热速度快，易控，材料基体韧性好的特点。
　　金属表面扩渗主要是指渗碳、渗氮等表面化学热处理和渗铝、渗铬、渗硅、渗硼等表面合金化。它是把机械零部件或工件放人有一定活性的介质中，致使金属元素或非金属元素扩散渗入金属表层，从而改变金属表面的化学成分，获取希望的组织与性能的一种技术。这种技术是提高金属材料的表面硬度、耐磨性能、耐蚀性能和高温抗氧化性能的极其实用的技术。
　　金属表面形变强化、相变硬化、表面扩渗，大多属于金属表面热处理范畴，也是金属材料表面改性广泛应用的工程技术。
　　在本章中，从现代表面技术与工程出发，只着重介绍与现代表面技术相关的等离子表面处理、电子束表面处理，激光束表面处理和离子注入与材料表面改性技术相关的、先进的现代表面技术与工程应用。这是因为，这些技术的出现、应用与发展，显著地改变了材料表面渗层的组织结构，大大提高了渗层的质量，加上工艺过程的可控性好，展示出具有广阔的工程应用前景。诸如激光束的表面改性，在激光相变硬化、激光合金化、激光熔凝与激光非晶化处理，激光熔敷、激光诱导沉积等一些现代表面技术上美、日、英、德等发达国家都把激光的加工技术、研究与发展，放在比较高的技术地位。又如，离子注入与材料表面改性业已成为半导体渗杂与生产的关键工艺。离子注入进入半导体材料表面改性和微细加工，发展与应用的结果，使超大规模集成电路成为现实，实现了集成电路的腾飞，从而引发了微电子、计算机、通讯和工业自动化的革命。不少科学家预言，从上世纪“90年代到2010年，将是离子束材料改性的新时代，也是离子束材料改性进入腾飞的新时代。”因此本章的重点是现代表面新技术。
4．2 等离子表面处理技术基础
　　等离子表面处理技术，又称为离子冲击(或轰击)扩渗处理技术或离子冲击表面处理技术。是辉光放电、等离子体在低于o．1h怦a的特定气氛中，用工件作阴极在和阳极之间产生的辉光放电所进行的一种使金属表面改性的处理工艺。常见的有离子渗氟、离子渗碳、离子碳氮共渗、离子渗硼、离子渗硫、离子硫氮共渗、离子硫氮碳共渗等，它可以显著地改善金属表面渗层的组织，提高渗层质量。

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4．2．1 等离子体的物理概念
　　等离子体的物理基础：这里指的等离子休是—种电离气体，是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体，整体呈现中性。是带电粒子组成的电离态，俗称物质的第四态。
　　离子渗氮、离子沉积屑低温等离子体。就是等离子体中的重粒子温度Ti＝Te(自由电子温度)，由于一般重粒子温度接近常温，电子温度高达lo’一104K，所以这种等离子体称为非平衡等离子体。
　　为了获得等离子体，必须使中性粒子电离，在离子沉积中，主要是运用低压气体放电的方法获得等离子体。在低压气体放电开始时，总存在有自然电子(初期电子)，施以高压电场后，这种自然电子获得足够能量被加速，并与十性粒子碰撞而电离。电离产生的电子又进一步使其他中性的粒子发生电离，造成连锁反应而形成等离子体。所使用的电场有直流、射频、微波电场。
　　 4．2．1．1 等离子体的性质
　　等离子体应该说是一个完整的物理体系，宏观上，等离子体是中性的，具有很高的导电宰；在等离子体中的化学反应比热化学反应容易进行，其带电粒子在放电空间(气体)有热运动、电场作用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动。
　　 4．2．1．2 气体放电的伏安特性曲线
　　阴阳极问气体的放电不符合欧姆定律。气体放电在阴阳极间的电压与电流关系如图4—1伏安特性曲线。在图4—l中A点前，阴阳极之间没有可见电流，处于非自持放电区：当电压增加到A点时，阴阳极问突然有大电流产生，称A点电匝为点燃电压，阴极部分表面产生7辉光，阴阳极间电压立即下降到月点，A点后为自持放电区：BC区间为正常辉光放电区，这时增加电压或减小限流电阻，阴极表面覆盖辉光面积增大，电流随之增加，但在正常辉光放电区中阴阳极间电压不变；到c点后，继续增大电压或减少限流电阻，当辉光全部覆盖阴极表面，随着电流增加，极间电压也增大，称CD区间为异常辉光放电区；过了D点后，电流突然增大，而此时，极间电压反而下降，此时辉光熄灭．阴极表面出现强烈的弧光，称DE区间为弧光放电区(在6．3．2节中还会详述)。
　　当气体性质、电极材料、温度一定时，点燃电压与压强p和极间距d的乘积有关，它有一个最低值，关系如图4—2所示，即巴邢曲线。由于电子在两次碰撞之间的平均路程与气体密度成反比，即与气压户成反比，所以p~d的值实质上是反映出一个电子从阴极到阳极过程中的平均碰撞次数。电子从阴极到阳极的过程中，碰撞次数过少，引发的电离数就少，不易点燃；相反，碰撞次数过多，每次碰撞前，其电子加速的路程就短，电子达不到使分子电离所需的速度，因此电离也少。所以碰撞次数过多或过少都不易点燃，而在某一最佳平均碰撞次数下，其所需的阴阳极间点燃电压最低，如图中巴邢曲线的最低点。

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