离子渗氮的理论基础及离子渗氮理论

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等离子体的基础知识

离子渗氮是在真空炉体内，通过稀薄气体放电，形成由离子、电子和中性粒子所构成的局部电离状态（即等离子体）中进行的，因此，了解等离子体的产生、放电特性是非常必要的。

一、等离子体的基础概念

所谓等离子体是指一种电离气体，是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体，整个显中性，它是一种由带电粒子组成的电离状态，称为物质的第四状态。

二、等离子体的获得

要获得等离子体必须使中性粒子电离，而使中性粒子电离的方法有多种，以下列出了其中的三种方法。

1、低气压气体放电获得等离子体。离子氮化炉就是利用这种方法。

2、利用高能粒子的方法。如核聚变所用的方法。

3、利用电磁波能量的方法。如用X射线、γ射线使气体电离。

三、等离子体的性质

1、等离子体在宏观上是电中性的

等离子体是电离了的气体，它由电子、离子和中性粒子三种成分组成。其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是点中性的。

2、等离子体具有很高的导电率，等离子体在宏观上虽然是电中性，但由于体系中包含有大量的带电粒子（电子和离子），而且浓度很高，所以具有很好的电导性。

3、等离子化学反应比热化学反应容易进行

等离子化学反应的特征是热力学上稳定的激发态和离子态，这种反应大多数活化能是很低的，例如在离子分子反应中大多数场合活化能为零，使其反应易进行，变成受扩散支配的反应。

第二节 气体放电的伏安特性

由中性原子、分子组成的气体，一般情况下是不导电的。由于自然界存在的各种辐射（宇宙射线、紫外线、放射性元素产生的γ射线等）使气体电离，出现了微量原始电荷（原始载流子）。在近地面的大气中其浓度约为1000离子偶/cm3。于是在直流高压电场下，低压（稀薄）气体中的电子被加速向阳极运动，并碰撞气体原子、分子，使之不断被电离产生新电子、离子——自激（或次级）载流子。上述过程中产生的正离子在电场加速下轰击阴极，造成二次电子发射并维持放电过程，于是，气体就具备了导电性能。随着放电电流的加大，放电逐渐增强，从汤生德放电过渡为辉光放电、弧光放电。这后两种放电就是所谓“自持”放电，即在没有外电离源情况下也能维持的放电。

测量气体放电时两极间电压与电流关系的装置（如图2-1）和得到的伏安特性曲线如图2-2所示。

图2-1中，A为阳极、B为阴极、C是放电管、V是直流电源、K是开关、R是限流电阻。

图2-2是用图2-1所示装置测得的气体放电伏安特性曲线，可以看出，阴阳极间气体放电时，两极间电压与电流之间的关系不符合欧姆定律。

对真空容器的两极逐渐增加电源电压的过程中，开始阶段极间电压很低，不可能发生电子与气体间的碰撞电离，因而阴阳极间并没有可见的电流，这只能靠外电源维持的非自持放电。当电压增加到C点（Vs）后即由非自持放电过渡到依靠二次电子发射维持的自持放电阶段，两极间突然出现了大的电流，阴极部分表面产生了辉光，若继续增加电源电压（或减小限流电阻），则两极间电压立即下降到E点的数值。此时继续增加电源电压或减小限流电阻，阴极表面覆盖辉光的面积随之增大，电流增大，但极间电压不变，至图中所示的F点时阴极表面完全为辉光覆盖。再继续增加电源电压（或减小限流电阻），随着电流的增加，极间电压也上升，如图中的FG段。过了G点以后，电流突然急剧增大，而极间电压反而急速地下降，这时辉光熄灭，阴极表面出现强烈的弧光放电。

图中C点电压称为辉光点燃电压，C点之前称为非自持放电（即不能脱离天然电离源的存在）阶段，C点之后称为自持放电（即辉光放电）阶段，OB段为无声非自持放电、BC为非自持暗放电，CD段为自持暗放电，DE段为自持的正常辉光放电前的过渡阶段，EF段为正常辉光放电区，此区的电压基本不变，电压值接近点燃电压的最低值，在离子渗氮炉中约400~500V。FG段称为异常辉光放电区，离子渗氮炉运行中主要用的就是这一段，在这个区段可通过控制电压调节电流，从而控制工件的加热温度，G点以后称为弧光放电区，由图可见，G点的电流和电压均很高，这种弧光放电形式只有在阴极表面极为纯净时才会发生，在离子渗氮炉中往往在不大的电压和电流以及很低的温度下就过渡到弧光放电。弧光放电是在阴极表面某一小区域与阳极之间进行，大量的正离子轰击阴极一个小区域，很短时间就可以使该阴极局部因高温而熔化损坏。因此，离子渗氮炉中应注意避免发生弧光放电，电源控制系统应能在发生弧光时自动切断电源熄灭弧光，然后自动点燃辉光，继续工作。

1.正常辉光放电

正常辉光放电是一种稳定的自持放电，对应着伏安特性曲线的EF段。正常辉光放电时，从阴极到阳极辉光的光强度分布是不均匀的。从阴极至阳极的整个放电空间可分为八个区，依次为：阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区。

阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区这三个区域之和称为阴极位降区，其区域宽度之和称为阴极位降区长度dk，dk若再加上负辉区宽度，则称为阴极放电长度。阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的条件。辉光放电时阴阳两极之间各区的电压降并不均匀，阴极位降区电压陡降，其它区电压降比较平稳。

正常辉光放电时，在气体种类和阴极材料一定的情况下，不论气压和极间距离如何，阴极位降都是一常数，等于最低点燃电压。具体表现为，正常辉光放电中，当气体种类和阴极材料一定时，阴极位降区长度dk仅和气体的压强P成反比，即P·dk=常数，如氨在低温正常辉光放电时，P·dK=667Pamm。

2.异常辉光放电

离子渗氮时应把工作状态调节在伏安特性曲线的异常辉光放电区，即图中的FG段，这时放电电流密度随电流成比例增大，电场更加畸变，此时阴极位降和阴极位降区既和气压有关，还于电流密度有关，阴极全部布满辉光。与正常辉光放电相比，异常辉光放电具有更大的电流、电压，也提供了工件升温和进行气相反应、阴极溅射等所必需的能量条件。

辉光的颜色因气体种类不同而异，氢呈淡蓝色，氮呈紫红色，氨呈紫蓝色。

第三节 离子渗氮理论及离子渗氮的特点

离子渗氮理论

二十世纪六十年代离子渗氮理论开始应用于生产实际，至今已经历了近四十年，离子渗氮已经成为离子热处理技术中最成熟、最普及、最富有生命力的工艺。

随着工艺技术的进步，离子渗氮理论也在不断充实完善，但至今尚无一种理论能解释所有离子渗氮现象，因此，从这种意义上讲，等离子体热处理的实际应用已远远走在了其理论前面。

人们在不同的试验条件下，先后提出了溅射、氮氢分子离子化、中性原子轰击等几种离子渗氮理论。尽管这些不同程度地存在一定的局限性，但不容置疑的是，这些理论都在一定程度上指导着应用技术的研究，指导着实践。

以下仅对溅射理论做一简要介绍。

溅射理论是一种为许多人所接受（或默认）的经典理论，该理论于1965年由J.kolbel提出，其模型如图3-1所示。该理论认为，渗氮层是通过阴极溅射形成。在真空炉体内，工件为阴极，炉体为阳极，加上直流高压后，稀薄气体电离，形成等离子体。N+、H+、NH3+等正离子在阴极位降区被加速，轰击工件（阴极）表面，其动能消耗于：

①转化为热能加热工件。

②打出电子，产生二次电子发射。

③阴极溅射。高能正离子轰击阴极造成C、N、O、Fe等原子溅射，而Fe不断与阴极表面附近的活性氮原子化合成高氮化合物FeN（Fe成为活性氮的载体），由于背散射又沉积到阴极表面，随后在离子轰击和热激活作用下，氮化铁分解（FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N）转变为低氮化合物，分解析出的氮原子一部分扩散进钢铁内，一部分返回等离子区。

这一模型的主要试验根据是收集急冷的溅射沉积物，分析其中的氮含量约达19.7%，于是推断是理论含量20.05%的FeN。