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1 等離子體的概念
等離子體是一種物質的能量較高的聚集狀態,被稱為物質第四態。是一種電離度超過0.1%的氣體,是由離子、電子和中性粒子所組成的集合體。等離子體整體呈中性,但含有相當數量的電子和離子,表現出相應的電磁學等性能,如等離子體中有帶電粒子的熱運動和擴散,也有電場作用下的遷移。利用粒子熱運動、電子碰撞、電磁波能量法及高能粒子等方法可獲得等離子體,但低溫產生等離子體主要方法是利用氣體放電。
粒子轟擊陰極表面時將發生一系列物理、化學現象,包括中性原子或分子從陰極表面分離出來的陰極濺射現象(也可看作蒸發過程),陰極濺射出來的粒子與靠近陰極表面等離子體中活性原子結合的產物吸附在陰極表面的凝附現象、陰極二次電子的發射現象以及局部區域原子擴散和離子注入等現象。
2 離子滲氮
輝光離子滲氮又稱離子滲氮,是一種在壓力低于105Pa的滲氮氣氛中,利用工件(陰極)和陽極間稀薄含氮氣體產生輝光放電進行滲氮的工藝。人們已普遍認為這是一種成熟的工藝技術,已用于結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼的滲氮,并由黑色金屬發展到有色金屬滲氮,特別在鈦合金滲氮中取得良好效果。
離子滲氮設備不但引入了計算機控制技術,實現了工藝參數優化和自動控制,還研制發展了脈沖電源離子滲氮爐、雙層輝光離子滲氮爐等,達到了節能、節材、高效的目的。
2.1 離子滲氮的理論
(1)濺射和沉積理論
這一理論是由J.Kolbel于1965年提出的。他認為,離子滲氮時,滲氮層是通過反應陰極濺射形成的。在真空爐內,稀薄氣體在陰極、陽極間的直流高壓下形成等離子體,N+、H+、HN+3等正離子轟擊陰極工件表面,轟擊的能量可加熱陰極,使工件產生二次電子發射,同時產生陰極濺射,從工件上打出C、N、O、Fe等。Fe能與陰極附近的活性氮原子形成FeN,由于背散射又沉積到陰極表面,FeN分解,FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N,分解出氮原子大部分滲入工件表面,一部分返回等離子區。
(2)氮氫分子離子化理論M.Hudis提出了分子離子化理論,對40CrNiMo鋼進行離子滲氮研究得出,濺射雖明顯,但不是離子滲氮的主要控制因素。他認為對滲氮起決定作用的是氮氫分子離子化的結果,并認為氮離子也可以滲氮,只不過滲層不那么硬,深度較淺。
(3)中性原子轟擊理論
1974年,Gary.G.Tibbetts在N2-H2混合氣中對純鐵和20鋼進行滲氮,他在離試樣1.5mm處加一網狀柵極,之間加200V反偏壓進行試驗,得出對離子滲氮起作用的實質上是中性原子,HN3分子離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產生的。
(4)碰撞離析理論
人們認為,無論在HN3、N2-H2或純N2中,只要滿足離子能量條件,就可以通過碰撞裂解產生大量活性氮原子進行滲氮。
2.2 離子滲氮的主要特點
(1)離子滲氮速度快,尤其淺層滲氮更為突出。例如,滲氮層深度為0.3mm～0.5mm時,離子滲氮的時間僅為普通氣體滲氮的1Π3～1Π5。這是由于:①表面活化是加速滲氮的主要原因。粒子轟擊將金屬原子從試樣表面分離出來,使其成為活性原子,并且,由于高溫活化,C、N、O這類非金屬元素也會從金屬表面分離出來,使金屬表面氧化物和碳化物還原,并且也對表面產生了清洗作用;②提高表面氮濃度,加快氮向試樣內部擴散。試樣表面對轟擊出來的Fe和N結合形成的FeN吸附,提高試樣表面氮濃度,Fe還有對NH3分解出氮的催化作用,也提高氮濃度;③陰極濺射產生表面脫碳,增加位錯密度等,加速了氮向內部擴散的速度。
(2)熱效率高,節約能源、氣源。
(3)滲氮的氮、碳、氫等氣氛可調整控制,可獲得5μm～30μm深的脆性較小的ε相單相層或≈8μm厚的韌性γ相單相層,也可獲得韌性更好的無化合物的滲氮層。
(4)離子滲氮可使用氨氣,壓力很低,用量極少,無污染。
(5)離子滲氮溫度可在低于400℃以下進行,工件畸變小。但準確測定工件溫度較麻煩,不同零件同爐滲氮時,各部位溫度難以均勻一致。
(6)可用于不銹鋼、粉末冶金件、鈦合金等有色金屬的滲氮。由于存在離子濺射和氫離子還原作用,工件表面鈍化膜在離子滲氮過程中可清除。也可局部滲氮。
(7)由于設備較復雜,投資大,調整維修較困難,對操作人員的技術要求較高。 |
