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1.2.4 等离子体电解加热淬火的基本原理
对于上述实验过程中四个阶段的产生的不同现象，有着各自对应的机理。第一阶段，在电场的作用下，通过导电离子使溶液中产生电流，电流的热效应使得电极附近的溶液温度急剧升高并气化，而电极的作用会使部分溶液发生电解，电解产生的气体和气化的气体积聚在电极的表面产生了气泡，电极周围形成了液体低密度区域，成为一层溶液和电极之间的绝缘气膜。
第二阶段，此阶段属于气液共同导电阶段。随着电压的升高，液体温度急剧升高，离子运动加速。对于气体，在热电离和外电场的作用下发生电离，产生许多二次电子。所以这一阶段气泡密度很高，气体膜层很厚。
第三阶段，属于击穿放电阶段。此时电极周围的气泡足够密集，在溶液和电极之间形成的气体绝缘层足够厚，当电压达到临界值后，足够击穿绝缘的气膜，就会在强电场的作用下发生击穿放电现象，液相下产生辉光放电等离子体，产生电火花。
第四阶段，继续升高电压，属于放电稳定阶段。此时产生连续稳定的等离子区，形成气液隔离层，电流减小。
从离子的角度来看整个过程，我们要先考虑电解液中的离子。文献[3]中使用的淬火介质主要有HCl、Na2CO3、Na2SO4、Ca(NO3)2、MgCl2等。淬火效果较好的是5%到15%的Na2CO3溶液。电解质在溶液中发生复杂的反应。本课题的主要电解质为Na2CO3，下面以Na2CO3水溶液为例，对溶液中的水解反应过程加以解释：
Na2CO3一级水解：Na2CO3+H2O===NaHCO3+NaOH
Na2CO3二级水解：NaHCO3+ H2O===H2CO3+NaOH
H2O的水解：H2O===H++OH-
其中Na2CO3二级水解一般比较微弱，H2CO3的量以忽略不计，在反应过程在也没有CO2放出。同时，H2O的水解也很微弱。所以，Na2CO3水溶液中的主要离子有：Na+、CO32-、以及少量H+、OH-离子。综上，等离子体系中包含的粒子有：电子、上述几种离子以及中性粒子。电子和离子所带的正负电荷总量相等，因此等离子体系整体上呈电中性。
所以我们也可以这样理解电解加热过程，当通电后H+、Na+离子向阴极移动，并且首先在阴极上析出：2H++2e→H2↑，在阳极4OH-→2H2O+O2+4e-。如果把工件作为阴极就会在工件周围产生氢气泡，由于工件浸入电解液面积不大，氢气泡集中在工件表面上，使电解液与工件表面局部分离。气体的存在使得工件与工件表面附近的液体层电阻增大，使接触工件的电解液加热至沸点。这个部分的液体迅速沸腾而产生水蒸气，分解出的氢气和水蒸气的压力把工件周围的液体排斥开形成一个稳定的气体薄膜，由于气体是不良导体，连续的气膜具有高电阻。当有很大的电压施加在两个电极之间时，气体膜就会被击穿，这个就是上面的第三个阶段中的现象。实现气体层击穿以后，在工件表面附近产生的大量离子和离子团组成的等离子体，高速运动的等离子体有很高的能量，等离子体对试样表面进行轰击，将能量传递到工件表面，使浸入电解液的工件被迅速加热至高温。工件被加热到奥氏体化温度，在电解加热过程中不在等离子体放电区域的另一个石墨电极仍然保持着室温。
液相等离子体加热淬火处理就是利用在短时间内的放电使有机物分解和电离，产生的离子和离子团组成的等离子体，对试样表面进行轰击，加以电流的热效应对试样表面加热，实现工件在液相下的加热，来达到改善钢的表面的组织和性能目的，从而达到强化的效果。电解液的加热是以直流电为能源在电解液中进行的。在停止电解后又利用电解液实现工件的淬火，电解液即为淬火介质。
1.3 课题研究的内容