活性原子吸附在工件表面的效果分析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：固体物质能自动把周围气体或液体分子、离子或活性原子吸引到固体表面上，这种现象称为固体的吸附。渗入元素的活性原子被工件表面吸附溶入或形成化合物，其他产物发生解吸，离开表面，通过界面层重新进入介质中。作热运动的CO分子不断冲刷钢件表面，当具有一定能量的CO分子冲入到Fe晶格表面原子的引力场范围之内时，将被铁表面晶格捕获而发生吸附。

固体物质能自动把周围气体或液体分子、离子或活性原子吸引到固体表面上，这种现象称为固体的吸附。固体表面存在空位、位错、不饱和键力和范德瓦尔斯力，处于能量较高的状态。当气体或液体分子、离子或活性原子碰撞到固体表面时，就会被表面原子所吸附。吸附的结果降低了表面自由能，使体系处于较低的能量状态，所以吸附是自发过程。

介质中的组分通过界面层扩散与工件表面直接接触时，就有可能被工件表面所吸附，进而在工件表面上发生各种界面反应，产生渗入元素的活性原子和其他产物。渗入元素的活性原子被工件表面吸附溶入或形成化合物，其他产物发生解吸，离开表面，通过界面层重新进入介质中。

现以CO在钢表面的相界面反应为例，来说明这一问题。

作热运动的CO分子不断冲刷钢件表面，当具有一定能量的CO分子冲入到Fe晶格表面原子的引力场范围之内时，将被铁表面晶格捕获而发生吸附。碳原子和氧原子均与Fe原子发生电子交互作用，这是一种化学吸附。但是Fe晶格中Fe原子间距(0.228nm)几乎比CO分子中、氧原子间距(0.115nm)大一倍，一旦化学吸附发生，C和O原子间距被拉大，C-O被强烈变形，从而削弱了C和O间原有的结合力，为破坏C-O键提供了有利条件。当气相中的CO分子碰撞在已被吸附在铁表面上的CO分子中的氧原子时，被吸附而变形的CO分子就很容易与气相中的CO作用，成为CO2和[C]，吸附的[C]侵入铁的晶格而溶解于铁中。因为这种反应是可逆的，即还有Fe中的C与CO作用形成CO2，这两个正反过程进行直至平衡，对应的Fe表面有一平衡碳浓度，反映在该反应的平衡常数中为该状态下碳在Fe中的活度。

一般固体表面对气相的吸附分成两类，即物理吸附和化学吸附。物理吸附是固体表面对气体分子的凝聚作用，吸附速度快，达到平衡也快。吸附大多数为多分子层，固体晶格与气体分子间没有电子的转移和化学键的生成。随着温度的升高，吸附在固体表面上的分子离开固体表面(即解吸现象)增多。化学吸附则不同，它在吸附过程中的结合力类似化学键力，而且有明显选择性。化学吸附只能是单分子层，吸附的发生需要活化能，吸附速度随着温度的提高而增大。一般化学热处理的吸附过程为化学吸附。

吸附能力还与工件表面活性有关。所谓工件表面活性，就是吸附和吸收被渗活性原子能力的大小。(https://www.chuimin.cn)

工件表面粗糙度越大，吸附和吸收被渗原子的表面越大，活性越大。

工件表面越新鲜，即工件表面既没有氧化也没有被沾污，则表面原子的自由键力场完全暴露，增加了捕获被渗元素气体分子的能力，因而增大了表面活性。例如，钢件表面存在氧化铁或油污，就会阻止铁对渗碳气体中CO的吸附。洁净表面还可以是界面反应的催化剂。例如，用氨对钢件进行渗氮时，洁净的表面对氨分解起催化作用，氨在铁的催化下分解速度为不催化的1×1013倍。离子氮化进一步说明了洁净的表面对氮化进程的重要性。在离子氮化时，被离解的氢离子在电场的作用下高速轰击工件(阴极)表面。在轰击时，离子的部分能量转化为热能，对工件表面加热。同时在离子的高速轰击下，钢件表面的原子不断被击出，形成阴极溅射，有效地除去了工件表面的氧化膜等惰性表面层。另外，氢离子在阴极表面放电后形成原子氢，它具有强烈的还原性，也能去除工件的惰性表面层。因此，由于阴极溅射和氢的还原作用，使工件表面保持洁净，促进了活性氮原子的溶解与化合，加快了氮化的进程。

目前化学热处理常采用卤化物作为净化物，在化学热处理过程中靠其对工件表面的轻微侵蚀作用，除去工件表面氧化膜等沾污物，增大工作表面粗糙度，以提高表面活性，促进化学热处理过程。

表面吸附与界面反应从性质上来说是不同的，但又相互关联。表面吸附与界面反应是渗入元素由介质进入工件的开端，任何化学热处理都不可能没有这些过程。

活性原子吸附在工件表面的效果分析

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