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1 等离子体的概念
等离子体是一种物质的能量较高的聚集状态,被称为物质第四态。是一种电离度超过0.1%的气体,是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体。等离子体整体呈中性,但含有相当数量的电子和离子,表现出相应的电磁学等性能,如等离子体中有带电粒子的热运动和扩散,也有电场作用下的迁移。利用粒子热运动、电子碰撞、电磁波能量法及高能粒子等方法可获得等离子体,但低温产生等离子体主要方法是利用气体放电。
粒子轰击阴极表面时将发生一系列物理、化学现象,包括中性原子或分子从阴极表面分离出来的阴极溅射现象(也可看作蒸发过程),阴极溅射出来的粒子与靠近阴极表面等离子体中活性原子结合的产物吸附在阴极表面的凝附现象、阴极二次电子的发射现象以及局部区域原子扩散和离子注入等现象。
2 离子渗氮
辉光离子渗氮又称离子渗氮,是一种在压力低于105Pa的渗氮气氛中,利用工件(阴极)和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。人们已普遍认为这是一种成熟的工艺技术,已用于结构钢、不锈钢、耐热钢的渗氮,并由黑色金属发展到有色金属渗氮,特别在钛合金渗氮中取得良好效果。
离子渗氮设备不但引入了计算机控制技术,实现了工艺参数优化和自动控制,还研制发展了脉冲电源离子渗氮炉、双层辉光离子渗氮炉等,达到了节能、节材、高效的目的。
2.1 离子渗氮的理论
(1)溅射和沉积理论
这一理论是由J.Kolbel于1965年提出的。他认为,离子渗氮时,渗氮层是通过反应阴极溅射形成的。在真空炉内,稀薄气体在阴极、阳极间的直流高压下形成等离子体,N+、H+、HN+3等正离子轰击阴极工件表面,轰击的能量可加热阴极,使工件产生二次电子发射,同时产生阴极溅射,从工件上打出C、N、O、Fe等。Fe能与阴极附近的活性氮原子形成FeN,由于背散射又沉积到阴极表面,FeN分解,FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N,分解出氮原子大部分渗入工件表面,一部分返回等离子区。
(2)氮氢分子离子化理论M.Hudis提出了分子离子化理论,对40CrNiMo钢进行离子渗氮研究得出,溅射虽明显,但不是离子渗氮的主要控制因素。他认为对渗氮起决定作用的是氮氢分子离子化的结果,并认为氮离子也可以渗氮,只不过渗层不那么硬,深度较浅。
(3)中性原子轰击理论
1974年,Gary.G.Tibbetts在N2-H2混合气中对纯铁和20钢进行渗氮,他在离试样1.5mm处加一网状栅极,之间加200V反偏压进行试验,得出对离子渗氮起作用的实质上是中性原子,HN3分子离子化的作用是次要的。但他未指出活性的中性氮原子是如何产生的。
(4)碰撞离析理论
人们认为,无论在HN3、N2-H2或纯N2中,只要满足离子能量条件,就可以通过碰撞裂解产生大量活性氮原子进行渗氮。
2.2 离子渗氮的主要特点
(1)离子渗氮速度快,尤其浅层渗氮更为突出。例如,渗氮层深度为0.3mm～0.5mm时,离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮的1Π3～1Π5。这是由于:①表面活化是加速渗氮的主要原因。粒子轰击将金属原子从试样表面分离出来,使其成为活性原子,并且,由于高温活化,C、N、O这类非金属元素也会从金属表面分离出来,使金属表面氧化物和碳化物还原,并且也对表面产生了清洗作用;②提高表面氮浓度,加快氮向试样内部扩散。试样表面对轰击出来的Fe和N结合形成的FeN吸附,提高试样表面氮浓度,Fe还有对NH3分解出氮的催化作用,也提高氮浓度;③阴极溅射产生表面脱碳,增加位错密度等,加速了氮向内部扩散的速度。
(2)热效率高,节约能源、气源。
(3)渗氮的氮、碳、氢等气氛可调整控制,可获得5μm～30μm深的脆性较小的ε相单相层或≈8μm厚的韧性γ相单相层,也可获得韧性更好的无化合物的渗氮层。
(4)离子渗氮可使用氨气,压力很低,用量极少,无污染。
(5)离子渗氮温度可在低于400℃以下进行,工件畸变小。但准确测定工件温度较麻烦,不同零件同炉渗氮时,各部位温度难以均匀一致。
(6)可用于不锈钢、粉末冶金件、钛合金等有色金属的渗氮。由于存在离子溅射和氢离子还原作用,工件表面钝化膜在离子渗氮过程中可清除。也可局部渗氮。
(7)由于设备较复杂,投资大,调整维修较困难,对操作人员的技术要求较高。 |
