離子滲硫

二、硫化物層的特性

硫化物層的特殊結(jié)構(gòu)使其具有以下一些特性：

1、硫化物為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的減摩、抗摩作用。

2、硫化物層質(zhì)地疏松、多微孔，有利于儲存潤滑介質(zhì)。

3、硫化物層隔絕了工件間的直接接觸，可有效地防止咬合的發(fā)生。

4、硫化物層軟化了接觸面的微凸體，在運(yùn)動過程中有效避免了硬微凸體對對偶面的犁削作用，并起到削峰填谷作用，增大了真實(shí)接觸面積，縮短磨合時間。

5、硫化物層的存在使接觸表面形成應(yīng)力緩沖區(qū)，有效提高抗疲勞能力及承載能力。

三、可實(shí)施離子滲硫的材料

可進(jìn)行離子滲硫的材料種類較多，碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼以及各類硬質(zhì)合金等均可實(shí)施離子滲硫處理。

四、離子滲硫工藝中常用的供硫劑

離子滲硫工藝中常用的含硫介質(zhì)有二硫化碳（CS2）和硫化氫（H2S）。

1、二硫化碳（CS2）

二硫化碳（CS2）是一種無色易揮發(fā)液體，其分子量為76，熔點(diǎn)為-111.9℃，沸點(diǎn)為46.24℃，20℃時其密度為1.26g/cm3，20℃時在水中的溶解度度為0.179。二硫化碳溶于乙醇和乙醚。

2、硫化氫（H2S）

硫化氫（H2S）是一種無色氣體，具有強(qiáng)烈刺激的臭雞蛋氣味，其分子量為34，沸點(diǎn)為-60.35℃，25℃時其密度為1.26g/L，具有腐蝕性和毒性。

五、離子滲硫及離子含硫多元共滲工藝

離子滲硫是一個廣義的工藝概念。實(shí)際應(yīng)用中，它包含了單純的離子滲硫、離子硫氮共滲和離子硫氮碳共滲等多種工藝，以下就這幾種工藝逐一進(jìn)行陳述。

（一）離子滲硫工藝

離子滲硫通常是在160～300℃的低溫下進(jìn)行的，常用的離子滲硫溫度為180～200℃。供硫劑可采用二硫化碳（負(fù)壓吸入，與丙酮的加入方式相似），也可采用硫化氫氣體。其中采用硫化氫作供滲硫源時，一般以H2S—Ar—H2作為滲硫氣氛，高純度（99.999%）的Ar和H2（比例為1:1）作為載體氣，H2S的用量為總氣體量的3%。

混合氣的流量約為80～120L/h（對LDMC-75爐型而言）。

保溫時間依據(jù)不同滲層的要求，可選用十幾分鐘至二小時，所得到的滲層深度從幾微米至幾十微米。

滲層組織是以FeS為主的化合物層，無明顯的擴(kuò)散層。

（二）離子硫氮共滲工藝

離子滲氮?dú)夥罩屑尤脒m量的含硫氣氛即可實(shí)現(xiàn)離子硫氮共滲。高硬度滲氮層的外表面的硫化物層能提高工件的減磨、抗咬合能力。

離子硫氮共滲工藝中可使用硫化氫或二硫化碳作為供硫劑。在實(shí)際使用過程中，二硫化碳不是直接通入爐內(nèi)使用，而是使用二硫化碳與水蒸汽的反應(yīng)氣，因此，操作起來有一定的難度，故使用較少。

滲氮?dú)夥罩型ㄈ脒m量的硫可以提高氮勢，降低ε相的形成溫度，加速滲氮過程，因而強(qiáng)烈影響滲層特征。隨著氣氛中含硫量的逐步提高，滲層表面的含硫量開始也隨之增高，總滲層也曾厚，但氣氛中含硫量增至一定值時，滲層反而開始減薄，尤其在共滲溫度高、共滲時間長的條件下，氣氛中硫含量過高，工件表面易出現(xiàn)灰黑色粉末狀沉積物，滲層脆性高，易剝落。反之，若氣氛中含硫量太低，則滲硫效果不明顯且硫化物層結(jié)合不好。

基于以上分析和試驗(yàn)，當(dāng)以硫化氫為共滲劑時，NH3:H2S以10～30:1較適宜。

硫氮共滲的溫度依據(jù)材料的不同，可在480～570℃范圍內(nèi)選用。硫氮共滲的時間依據(jù)對滲層的不同要求，多在兩個小時之內(nèi)。

離子硫氮共滲層的組織為多層結(jié)構(gòu)，最表層為硫化物層（硬度低），次表層為氮的化合物層（高硬度區(qū)），里層為擴(kuò)散層。

（三）離子硫氮碳共滲工藝

在離子氮碳共滲氣氛中加入含硫氣體，即可實(shí)現(xiàn)離子硫氮三元共滲。研究認(rèn)為，在離子氮碳共滲氣氛中加入少量含硫氣體，可提高氮和碳的活性，在低溫下（如500℃）也易形成ε相（S、N、C的化合物），而且可提高ε相中的含氮量。因此，三元共滲的滲速更高，滲層質(zhì)量相對更好，同樣可提高工件的耐磨性、抗咬合能力和疲勞強(qiáng)度。

常用的作為硫氮碳共滲的氣體配比有以下兩種：

（1）CH4:H2S:NH3=3:2:20；

（2）(C2H5OH:CS2=2:1):NH3=1:20

離子硫氮碳共滲有兩種操作方式，（1）先進(jìn)行氮碳共滲后再滲硫；（2）通入混合氣氛同時進(jìn)行三元共滲。

離子硫氮碳共滲的溫度可參照離子氮碳共滲的溫度選擇，通常在550～580℃范圍內(nèi)。

離子硫氮碳共滲的時間依據(jù)材料的不同而異，普通鋼可選用570℃、2～3小時共滲；高速鋼則采用低溫（480～540℃）短時（15～120分鐘）共滲工藝。

離子硫氮碳共滲層的組織為多層結(jié)構(gòu)，自表及里依次為黑色多孔質(zhì)地較軟的FeS薄層、含硫的ε γ’化合物層以及含碳和氮的2100433B

本項(xiàng)目從微觀和宏觀兩個層次對電滲機(jī)理進(jìn)行了研究，通過電流和能量將微觀和宏觀聯(lián)系起來，建立了可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的電滲設(shè)計(jì)理論，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。 微觀層次的電滲機(jī)理研究主要包括電滲的離子運(yùn)移、礦物學(xué)機(jī)理分析、土體的導(dǎo)電特性及水分遷移機(jī)理研究。研究結(jié)果表明，電滲的離子遷移和累積使得土體顯示出介于電阻和電容之間的導(dǎo)電特性，該機(jī)理對電滲電源設(shè)計(jì)具有重要意義；電滲離子運(yùn)移及水分遷移在土體表面大于土體深部，該機(jī)理指導(dǎo)提出了分級式的深層土體電滲排水固結(jié)方法；電滲引起的zeta電位及層間離子的變化可使土體膨脹性減弱，為電滲法治理膨脹土提供了理論依據(jù)。 宏觀層次的電滲機(jī)理研究主要是電滲的能級梯度理論研究，提出了電滲排水固結(jié)設(shè)計(jì)的理論和方法，并對能級梯度理論的參數(shù)模型尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，給出了參數(shù)的確定方法及取值范圍。通過三個現(xiàn)場試驗(yàn)，對上述理論研究中提出的分級式電滲排水固結(jié)方法、分布式電源設(shè)計(jì)、輪詢通電方法、電滲離子運(yùn)移、電滲設(shè)計(jì)理論以及參數(shù)模型尺寸效應(yīng)等問題進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 本項(xiàng)目研究成果拓展并活躍了電滲領(lǐng)域的科學(xué)及應(yīng)用研究，極大提高了電滲法實(shí)際工程應(yīng)用的可能性，研究成果將在巖土和環(huán)境領(lǐng)域得到應(yīng)用，目前研究成果的應(yīng)用已處于現(xiàn)場中試階段。本項(xiàng)目研究成果也為電滲領(lǐng)域的理論研究拓展了更多的方向，例如：土體的導(dǎo)電特性、EKG材料電極特性、電滲電源設(shè)計(jì)理論和方法、電動方法土體改性等。 2100433B

隨著對環(huán)境問題的日益重視和土地需求的日益增長，迫切需要一種深層吹填軟土排水固結(jié)的方法。對此需求，電滲是最具潛力的一種方法。然而因?yàn)槿狈δ苡行е笇?dǎo)工程實(shí)踐的電滲理論，電滲法的應(yīng)用存在困難，尚未得到廣泛應(yīng)用。 電滲理論目前的不足之處在于微觀理論和宏觀理論之間缺乏一個聯(lián)系的橋梁。本項(xiàng)目擬從離子運(yùn)移機(jī)理和能級梯度理論兩個方面著手進(jìn)行研究，以電流和能量兩個參量為橋梁，將電滲電荷累積理論（微觀）和電滲能級梯度理論（宏觀）聯(lián)系起來。合理選取電滲能級梯度理論的關(guān)鍵參數(shù)，并對其模型尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究。 本項(xiàng)目研究將探明電滲微觀機(jī)理，使宏觀電滲理論具有堅(jiān)實(shí)的微觀基礎(chǔ)，同時所建立的宏觀電滲理論的參數(shù)均具有明確的物理意義且易于測量，可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐，滿足深層吹填軟土快速有效固結(jié)這一迫切的工程需求。

逾滲理論是處理強(qiáng)無序和具有隨機(jī)幾何結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常用的理論方法之一。這一理論研究的中心內(nèi)容是:當(dāng)系統(tǒng)的成分或某種意義上的密度變化達(dá)到一定值(稱為逾滲閾值)時，在逾滲閾值處系統(tǒng)的一些物理性質(zhì)會發(fā)生尖銳的變化,即在逾滲閾值處，系統(tǒng)的一些物理現(xiàn)象的連續(xù)性會消失(而從另一方面看,則是突然出現(xiàn))。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的逾滲理論(Kirkpatrick-Zallen)模型

Kirkpatrick、Zallen等借用Flory凝膠理論描述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成,并提出經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的逾滲理論方程:

對于二維體系x的典型值為1.3;對于三維體系x為1.9,并推斷出,球狀粒子只有體積分?jǐn)?shù)達(dá)到16%以上時,才會形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),該模型不僅可以用于計(jì)算電導(dǎo)率,還可以通過計(jì)算x、v得到粒子在體系內(nèi)的分布狀況。2100433B