离子渗氮的基本原理是什么

来源:金属热处理标准应用手册作者:袁凤松

    在低真空(2000Pa)含氮气氛中,利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。在离子渗氮的低真空室内,阴极和阳极本来是不导电的,但当两极之间加以高压直流电场时,部分气体发生电离,使稀薄气体可以导电。在直流电场作用下,正离子和电子分别向阴极和阳极运动,并不断地被加速,它们在运动的路途中还碰撞其他的中性原子,使这些中性原子发生电离或激发。这样气体中荷电质点越来越多,电流剧烈地增加,气体中的放电发生了质的变化,阴极和阳极之间出现了有颜色的光,即发生了所谓辉光放电现象。辉光放电的伏一安特性曲线如图5-18所示。

 

辉光放电的伏一安特性曲线


 

    5-18    辉光放电的伏一安特性曲线

    a)电路示意图b)伏一安特性曲线

    连续可调直流电源E的负极接炉底座上的阴极(阴极与炉底座绝缘,工件放于阴极上),电源的正极经限流电阻R接到阳极(炉罩)。逐渐增加电源的电压,开始时阴阳极之间并没有电流(实际上有很小的电流)。当电压增加到A点(A点电压称为点燃电压)时,阴阳极之间突然出现了电流,阴极上产生了部分辉光,并在瞬间使阴阳极间的电压下降到B点。此时增加电源电压或减小限流电阻,阴极表面覆盖的辉光面积逐渐增大,直至辉光将阴极表面全部均匀覆盖,其间阴阳极间电压保持不变,但电流增大,即图中BC段,称为正常辉光放电区。在C点以上,随着阴阳极间电压的升高,电流也增大(电流密度增大,阴极发热加剧),直至D点,CD段称为异常辉光放电区。电压高于D点后,电流突然增大,而阴阳极间电压则急速下降,使辉光熄灭,在阴极表面上出现强烈的弧光放电,DE段称为弧光放电区。弧光放电时,大量正离子集中轰击阴极(工件)的某一点,形成强大的弧光电流,甚至能使工件局部熔化。ABCD各点电压和电流的数值大小,与气体成分、炉压、温度、阴极材料和面积等因素有关。

    离子渗氮主要利用辉光放电过程中的CD段,即异常辉光放电区。这时辉光覆盖整个工件表面,在正离子的轰击下工件被均匀加热。由于此段电压高,电流大,所以加热速度比BC段快。稳定的电压和电流是进行渗氮的先决条件,电压与电流呈一一对应的关系,电压的变化必将引起电流的变化。一旦辉光在正常辉光放电区和异常辉光放电区之间变动,这时就会出现“打弧”现象。当出现定点连续“打弧”时,会使渗氮无法进行。工件表面的油污、毛刺、小孔、不通孔或供氨量不稳定等因素,都是引起打弧的原因。

    辉光放电时,阴极表面的辉光分为两层,靠近阴极表面的为第一层辉光,相隔一层暗区,是第二层辉光,且较第一层厚些。阴阳极之间的电压绝大部分降在阴极表面与第二层辉光内侧之间的距离dk上,dk称为阴极压降区。可以把第二层辉光至阳极之间的低真空区理解为导线,阳极上极亮的点称为阳极辉。阴阳极之间辉光的分布见图5-19

    离子渗氮是在真空容器内、在高压电场作用下进行的。在真空容器内,工件置于阴极上,钟罩为阳极。炉内充以含氮气体,如氨气、氨分解气或氮气与氢气的混合气体,形成低真空状态;然后在阴阳极之间加以高压直流电场,在电场的作用下,两极间的稀薄气体被电离,并在阴极表面覆盖着一层辉光(辉光的颜色与充入的气体的种类有关,如充入纯氢,辉光呈蓝色;充人纯氮,呈紫红色;充入氨气,呈紫蓝色),它是氮的正离子或氢的正离子得到电子后还原成原子时所产生的光辐射。在高压直流电场的作用下,电子向阳极移动,气体中的正离子向阴极移动(见图5-20)。当正离子达到阴极附近时,由于高压的作用,正离子被强烈加速,以极高的速度轰击工件表面,将动能转变为热能,从而使工件被加热。正离子轰击工件表面后,一部分氮离子夺取电子后还原成氮原子,并直接渗入工件表面,一部分氮离子引起阴极溅射,被溅射出的铁原子与此处的氮原子相结合,形成高氮的氮化铁( FeN),沉积在工件表面上。由于受热和受到离子轰击,FeN很陕被分解为低价的铁氮化合物(如Fe2NFe3NFe4N)和铁。所放出的一部分自由氮原子扩散到工件内部,形成渗氮层,另一部分氮原子返回到辉光放电的气体中重新参与反应。

 

阴阳极之间辉光的分布

 

    5-19    阴阳极之间辉光的分布

 

离子渗氮原理示意图

 

    5-20    离子渗氮原理示意图