离子渗硫

二、硫化物层的特性

硫化物层的特殊结构使其具有以下一些特性：

1、硫化物为密排六方晶体结构，具有优良的减摩、抗摩作用。

2、硫化物层质地疏松、多微孔，有利于储存润滑介质。

3、硫化物层隔绝了工件间的直接接触，可有效地防止咬合的发生。

4、硫化物层软化了接触面的微凸体，在运动过程中有效避免了硬微凸体对对偶面的犁削作用，并起到削峰填谷作用，增大了真实接触面积，缩短磨合时间。

5、硫化物层的存在使接触表面形成应力缓冲区，有效提高抗疲劳能力及承载能力。

三、可实施离子渗硫的材料

可进行离子渗硫的材料种类较多，碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢以及各类硬质合金等均可实施离子渗硫处理。

四、离子渗硫工艺中常用的供硫剂

离子渗硫工艺中常用的含硫介质有二硫化碳（CS2）和硫化氢（H2S）。

1、二硫化碳（CS2）

二硫化碳（CS2）是一种无色易挥发液体，其分子量为76，熔点为-111.9℃，沸点为46.24℃，20℃时其密度为1.26g/cm3，20℃时在水中的溶解度度为0.179。二硫化碳溶于乙醇和乙醚。

2、硫化氢（H2S）

硫化氢（H2S）是一种无色气体，具有强烈刺激的臭鸡蛋气味，其分子量为34，沸点为-60.35℃，25℃时其密度为1.26g/L，具有腐蚀性和毒性。

五、离子渗硫及离子含硫多元共渗工艺

离子渗硫是一个广义的工艺概念。实际应用中，它包含了单纯的离子渗硫、离子硫氮共渗和离子硫氮碳共渗等多种工艺，以下就这几种工艺逐一进行陈述。

（一）离子渗硫工艺

离子渗硫通常是在160～300℃的低温下进行的，常用的离子渗硫温度为180～200℃。供硫剂可采用二硫化碳（负压吸入，与丙酮的加入方式相似），也可采用硫化氢气体。其中采用硫化氢作供渗硫源时，一般以H2S—Ar—H2作为渗硫气氛，高纯度（99.999%）的Ar和H2（比例为1:1）作为载体气，H2S的用量为总气体量的3%。

混合气的流量约为80～120L/h（对LDMC-75炉型而言）。

保温时间依据不同渗层的要求，可选用十几分钟至二小时，所得到的渗层深度从几微米至几十微米。

渗层组织是以FeS为主的化合物层，无明显的扩散层。

（二）离子硫氮共渗工艺

离子渗氮气氛中加入适量的含硫气氛即可实现离子硫氮共渗。高硬度渗氮层的外表面的硫化物层能提高工件的减磨、抗咬合能力。

离子硫氮共渗工艺中可使用硫化氢或二硫化碳作为供硫剂。在实际使用过程中，二硫化碳不是直接通入炉内使用，而是使用二硫化碳与水蒸汽的反应气，因此，操作起来有一定的难度，故使用较少。

渗氮气氛中通入适量的硫可以提高氮势，降低ε相的形成温度，加速渗氮过程，因而强烈影响渗层特征。随着气氛中含硫量的逐步提高，渗层表面的含硫量开始也随之增高，总渗层也曾厚，但气氛中含硫量增至一定值时，渗层反而开始减薄，尤其在共渗温度高、共渗时间长的条件下，气氛中硫含量过高，工件表面易出现灰黑色粉末状沉积物，渗层脆性高，易剥落。反之，若气氛中含硫量太低，则渗硫效果不明显且硫化物层结合不好。

基于以上分析和试验，当以硫化氢为共渗剂时，NH3:H2S以10～30:1较适宜。

硫氮共渗的温度依据材料的不同，可在480～570℃范围内选用。硫氮共渗的时间依据对渗层的不同要求，多在两个小时之内。

离子硫氮共渗层的组织为多层结构，最表层为硫化物层（硬度低），次表层为氮的化合物层（高硬度区），里层为扩散层。

（三）离子硫氮碳共渗工艺

在离子氮碳共渗气氛中加入含硫气体，即可实现离子硫氮三元共渗。研究认为，在离子氮碳共渗气氛中加入少量含硫气体，可提高氮和碳的活性，在低温下（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，三元共渗的渗速更高，渗层质量相对更好，同样可提高工件的耐磨性、抗咬合能力和疲劳强度。

常用的作为硫氮碳共渗的气体配比有以下两种：

（1）CH4:H2S:NH3=3:2:20；

（2）(C2H5OH:CS2=2:1):NH3=1:20

离子硫氮碳共渗有两种操作方式，（1）先进行氮碳共渗后再渗硫；（2）通入混合气氛同时进行三元共渗。

离子硫氮碳共渗的温度可参照离子氮碳共渗的温度选择，通常在550～580℃范围内。

离子硫氮碳共渗的时间依据材料的不同而异，普通钢可选用570℃、2～3小时共渗；高速钢则采用低温（480～540℃）短时（15～120分钟）共渗工艺。

离子硫氮碳共渗层的组织为多层结构，自表及里依次为黑色多孔质地较软的FeS薄层、含硫的ε γ’化合物层以及含碳和氮的2100433B

本项目从微观和宏观两个层次对电渗机理进行了研究，通过电流和能量将微观和宏观联系起来，建立了可用于指导工程实践的电渗设计理论，并进行了现场试验验证。 微观层次的电渗机理研究主要包括电渗的离子运移、矿物学机理分析、土体的导电特性及水分迁移机理研究。研究结果表明，电渗的离子迁移和累积使得土体显示出介于电阻和电容之间的导电特性，该机理对电渗电源设计具有重要意义；电渗离子运移及水分迁移在土体表面大于土体深部，该机理指导提出了分级式的深层土体电渗排水固结方法；电渗引起的zeta电位及层间离子的变化可使土体膨胀性减弱，为电渗法治理膨胀土提供了理论依据。 宏观层次的电渗机理研究主要是电渗的能级梯度理论研究，提出了电渗排水固结设计的理论和方法，并对能级梯度理论的参数模型尺寸效应进行了研究，给出了参数的确定方法及取值范围。通过三个现场试验，对上述理论研究中提出的分级式电渗排水固结方法、分布式电源设计、轮询通电方法、电渗离子运移、电渗设计理论以及参数模型尺寸效应等问题进行了试验验证。 本项目研究成果拓展并活跃了电渗领域的科学及应用研究，极大提高了电渗法实际工程应用的可能性，研究成果将在岩土和环境领域得到应用，目前研究成果的应用已处于现场中试阶段。本项目研究成果也为电渗领域的理论研究拓展了更多的方向，例如：土体的导电特性、EKG材料电极特性、电渗电源设计理论和方法、电动方法土体改性等。 2100433B

随着对环境问题的日益重视和土地需求的日益增长，迫切需要一种深层吹填软土排水固结的方法。对此需求，电渗是最具潜力的一种方法。然而因为缺乏能有效指导工程实践的电渗理论，电渗法的应用存在困难，尚未得到广泛应用。 电渗理论目前的不足之处在于微观理论和宏观理论之间缺乏一个联系的桥梁。本项目拟从离子运移机理和能级梯度理论两个方面着手进行研究，以电流和能量两个参量为桥梁，将电渗电荷累积理论（微观）和电渗能级梯度理论（宏观）联系起来。合理选取电渗能级梯度理论的关键参数，并对其模型尺寸效应进行研究。 本项目研究将探明电渗微观机理，使宏观电渗理论具有坚实的微观基础，同时所建立的宏观电渗理论的参数均具有明确的物理意义且易于测量，可用于指导工程实践，满足深层吹填软土快速有效固结这一迫切的工程需求。

逾渗理论是处理强无序和具有随机几何结构系统常用的理论方法之一。这一理论研究的中心内容是:当系统的成分或某种意义上的密度变化达到一定值(称为逾渗阈值)时，在逾渗阈值处系统的一些物理性质会发生尖锐的变化,即在逾渗阈值处，系统的一些物理现象的连续性会消失(而从另一方面看,则是突然出现)。

经典统计的逾渗理论(Kirkpatrick-Zallen)模型

Kirkpatrick、Zallen等借用Flory凝胶理论描述导电网络的形成,并提出经典统计的逾渗理论方程:

对于二维体系x的典型值为1.3;对于三维体系x为1.9,并推断出,球状粒子只有体积分数达到16%以上时,才会形成导电网络,该模型不仅可以用于计算电导率,还可以通过计算x、v得到粒子在体系内的分布状况。2100433B