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离子渗氮物理基础

时间:2016-11-14? 来源:青岛丰东热处理 ?编辑:青岛丰东热处理 点击: 次
离子渗氮是在真空炉体内,通过稀薄气体的辉光放电,形成的由离子、电子和中性粒子所构成的等离子体中进行的,所以,青岛丰东热处理小编对离子渗氮物理基础进行先容。
﹝一﹞真空
真空是相对大气而言。所谓真空,是指在给定的空间内,气体分子密度大大低于周围大气压下的气体分子密度的状态。
通常用真空度来衡量气体分子密度大小的程度,真空度常用压强单位来表示,真空度越高,则气体分子密度越小,也就是压强低,反之,真空度越低,则气体分子密度越大,也就是压强高。所以,真空度高和压强低是同义的。
真空计量中,采用了Torr﹝托﹞和Pa﹝帕﹞等单位:
  1Torr=1/760atm﹝标准大气压﹞        1Torr=133.3Pa
  1Pa=1N﹝牛顿﹞/m2                   1Pa=7.5006×10-3 Torr
﹝二﹞ 稀薄气体放电
1.等离子体
等离子体是由离子、电子及中性粒子所构成的一种电离气体,整体显电中性。等离子体中由于有大量的带电粒子,所以具有良好的导电性。等离子体中的带电粒子在外电场的作用下,向与自己电极性相反的电极做带有方向性的运动,使气体通导电流。等离子体化学反应比热化学反应更容易进行。
2.稀薄气体放电伏安特性
为获得等离子体必须使中性粒子电离,离子渗氮的是利用稀薄气体放电而获得等离子体的。                         
在稀薄气体的真空容器内的两个电极施加电源电压到c点时,阴阳极间电流突然增大,阴极部分表面开始产生光,阴阳极间电压下降。随后电源电压增大,阴极表面产生的辉光面积增大,但阴阳极间电压不变,至d点,阴极表面完全被辉光覆盖。此后,电流增加,阴阳极间电压随之增加。超过e点,电流剧烈增大,阴阳极间电压突降,辉光熄灭,阴极表面出现弧光放电。c点对应的电压称为辉光点燃电压。从c点至d点,称为正常辉光区,从d点至e点,称为异常辉光区。离子渗氮工作在异常辉光区,在此区辉光均匀覆盖工件表面,且可通过改变阴阳极间电压及阴极表面电流密度,实现工艺参数调节。
气体性质、电极材料及温度一定时,辉光点燃电压与气体压强和阴阳极距离的乘积有关,离子渗氮的点燃电压为400-500V。
3.辉光放电
辉光放电气压一般为数十帕至数千帕,电流密度为数毫安/平方厘米, 电压数百伏,是高电压小电流密度的放电。
﹝1﹞辉光放电的发光分布
辉光是原子由激发状态回到基态,或由电离态变成复合态时放出的电磁波。不同气体的电磁波的波长不一样,辉光颜色也就不同。
辉光从阴极到阳极的分布是不均匀的,从阴极到阳极分为阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区等几个区域,各区域的辉光亮度和电压位降都不一样。
离子氮化辉光放电
﹝2﹞阴极位降区
阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区三区宽度之和总称为阴极位降区dk, 阴阳极间电压主要降落在阴极位降区之内。阴极位降区dk与电压、气压、气体成分有关。
阴极位降区dk与气压呈反比﹝p×dk=常数﹞,它是维持辉光放电不可缺少的区域,若阴阳极距离d<dk,辉光就熄灭。利用此原理,可以对阴极进行间隙保护。
﹝3﹞空心阴极辉光放电
阴极位降区dk加上负辉区的长度称为阴极放电长度d辉。两个阴极都产生辉光放电的情况下,当两个阴极距离d1,2<2 dk时,辉光熄灭;两个阴极距离d1,2>2d辉时,两个阴极位降区互相独立,互不发生影响,辉光放电正常进行;当两个阴极距离d1,2<2d辉时,两个负辉区合并,电流密度增加,辉光强度增强,这种现象称作空心阴极效应。在离子渗氮工艺操作时,常常通过调整气压p等工艺参数,来调整d辉,控制空心阴极效应产生。
4.弧光放电
弧光放电一般电压为数十伏,电流密度为数百安/平方厘米,是低电压大电流密度的放电。放电发生在阴极局部。
弧光放电形成的原因主要有热电子发射和场致电子发射。
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