2.1  等离子体渗氮的原理

等离子渗氮是将待处理零件放在真空炉体中，并充以133Pa—1330 Pa低气压的含氮气体，零件作为阴极，真空炉体的炉壁作为阳极，或者在炉体内另设金属阳极。当阴阳极之间加上数百伏直流电压时，两极间的稀薄气体被电离，从而产生辉光放电。所谓“辉光放电”是一种象氖光灯那样具有非常柔和和光感的“自持放电”现象。 当辉光被点燃后，工件表面布满了一层约数毫米的紫红色的辉光。由于真空炉体中的气体被电离，空气中存在着大量的电子和离子。正电子向作为阴极的零件运动，电子则飞向阳极。在电子运动的过程中是真空炉体中的气体分子持续不断地被激发和游离。这样阴阳极间就有连续的电流通过，本来不导电的气体这时变得象导体一样。正离子在电场的加速作用下射向阴极，并在阴极位降区多次和中性气体粒子碰撞，使中性粒子具有与离子相近的能量到达零件表面。离子和高能中性气体粒子与阴极表面碰撞后，一部分动能使零件加热到需要的渗氮温度。高能粒子向工件轰击时，由于机械和蒸发的原因，是零件表面某些铁原子脱离基体飞溅出来，这就是所谓“阴极溅射”，被溅射出来的铁原子可能在紧靠零件表面的区域内和那里活性很强的氮离子结合形成中性的氮化铁（FeN）分子，因凝附作用又重新沉积到零件表面。在渗氮温度下，凝附着的FeN不稳定的，迅速分解为含氮较低Fe2N、Fe3N和 Fe4N，各级氮化物并放出氮原子。一部分氮原子通过扩散进入零件表面形成氮化物，另一部分再次返回等离子区。在邻近阴极区，氮化铁的形成以及其在阴极上的沉积是连续不断的。这种反应阴极溅射模式一般被认为是氮等离子区进入零件表面的主要迁移形式。另外 在含氮气氛中，在辉光放电等离子轰击的作用下，也有活性（氮）原子存在，它们在邻近阴极区时也可以直接吸附在零件表面。被零件表面吸收，扩散。

2.2  辉光放电原理简介

2.2.1辉光放电的形式

    气体放电时阴极阳极之间的电压降和电流的关系完全不能用欧姆定律来表达，这时电流电压不是简单的线性关系，其伏安特性见图1。气体本来是不导电

 

 

 

的，但是宇宙线的冲击或者其它种种原因，使少量气体分子以游离状态存在着。当两极间加上一定电压后，这些为数不多的正粒子向阴极运动，电子向阳极运动，形成很弱的电流，大约在10-18—10-12安培范围内。这种状态对应曲线的AB部分，称黑暗放电区。随着电压逐渐升高，由于电子在向阳极运动的过程中获得了较大的速度，有了足够的动能使气体分子游离，从而空间自由电子增多。新产生的电子和原有的电子继续受电场加速，产生更多的游离。这样继续下去，放电便巨浪般地增长起来，电流随着电压升高而迅速增加，但此时电流的绝对值还是很小（10-2—10-7）安培。这相当于曲线的BC段，叫汤生放电区。黑暗放电区和汤生放电区都是依靠天然游离源的存在，不断产生离子、电子才能维持下去。一旦外界游离源去除，放电也随即停止。所以这两种放电称为非自持放电。进一步增大电压达到曲线中的C点时，两极间的电压 骤然降低，电流突然突然上升很多，放电空间产生发光现象，称为辉光，这时放电点由C点过渡到D点，进入正常辉光放电区，C点的电压称为点燃电压。在正常辉光放电区，两极间的电压维持一定，它与流过两极的电流无关。这时所看到的现象：阴极表面有辉光的部分渐渐扩大，直至整个阴极表面都覆盖上辉光。这个过程相当于曲线的DE部分。再增大两极间的电压，气体放电进入异常辉光放电区，也就是等离子渗氮的工作区域，相当于曲线的EF部分。它的特点是：两极间流过的电流随电压的升高而升高。如果电压超过F点，或者由于其它原因，如大量电子发射引起气体大量电离，同时中和了正离子层，真空炉体内两极间电压显著降低，一般只有几十伏，而电流大大增加，同时电压随着电流的增大而降低。此时放电过渡到弧光放电区，即曲线上F点以后的区域。一旦产生固定的电弧，阴极表面的辉光都会熄灭了，在弧光放电焦点处与阳极间点起了一条明亮的电弧。气体在曲线的C点被点燃后，将外界游离源除去，放电仍能继续下去。所以自C点以后的放电称为自持放电。

2.2.2辉光放电的特点

   辉光放电的显著特征就是有一个比较大的特定的阴极位降，也就是阴极表面附近区域有几百伏左右的电位变化。这个电位分布是由辉光所持有的空间电荷分布引起的。辉光放电的另一个特征是在放电气体中出现了明亮不同的区间，它的特征外貌是放电的特征电位分布的结果。见图2。

   气体辉光放电可以分为八个明暗光区，它们是：

a．紧靠阴极表面的极薄暗层。称阿斯顿暗区。

b．阴极辉区

c．阴极暗区

   以上三个区域与阴极之间具有很大的电位降落，我们称它为辉光放电的阴极位降。这三个区域的宽度之合即所谓阴极位降区，用dk表示。

d．负辉区，具有明亮的辉光：

   负辉区的辉光仅在靠阴极的一面与阴极暗区有明显的分界。这一界面至阴极的距离就是阴极位降区dk。

e．法拉第暗区，此区光度最弱：

   上述五个放电部分被称为放电的阴极部分，所有为维持所需的过程集中在前四个部分。当阳极移向负辉区时，放电仍燃能维持，负辉区在靠阴极一面的明显分界面的位置保持不变，也即dk值保持不变。当阳极移到与此分界十分接近的地方，辉光放电才终止。

f．阳极辉区

g．阳极暗区

   不同发光区内的电荷分布情况各不相同。在负辉区中大量正离子密集，因此该区域中具有较显著的正空间电荷。而在阴极辉区与法拉第暗区中，由于电子密集，负空间电荷起主导作用。在阳极光柱区域内，正负空间电荷互相抵消，总得空间电荷为零。

                

 a  b c  d   e         f          g h 

                

- +

阴 阳

极 极

光

强

度

 

              电

                   场

              强

              度

 

                                                                                                                        

              电

              荷     +

              密

              度

                       

图2  辉光放电的发光分布及各种特性

a-阿斯顿暗区；b-阴极辉区；c-阴极暗区；d-负辉区；e-法拉第暗区；f-正拄区；g-阳极暗区；h-阳极辉区

 

 

负辉区中正离子密集，空间电位升高。在负辉区以后的法拉第暗区中，电子密集形成了负空间电荷，电位略有降低。由于在阳极光柱区中存在着加速电场，故在该区域中电位又略有上升。从图2的电位变化曲线上可以看出，负辉区以后的电位变化很弱，阴阳极间的压降基本上决定于负辉区和阴极暗区的分界面到阴极之间的电位降落，即阴极位降。

2.2.3气体放电参数及相互间的关系

2.2.3.1点燃电压

    点燃电压取决于气体压强、阴阳极间距离、气体种类和电极材料。对于一定种类气体和电极材料来说，点燃电压与气压和阴阳极间距离的乘积有关，即Us=f(P×d)。

此处  Us—点燃电压

      P—气体压强

      d—阴阳极间距离

其函数关系由图3上的巴邢曲线所描述。可见，在某一特定的pd值时，对应着点燃电压的最小值。

以铁作为阴极时，下列气体的最低点燃电压和相应的pd值示于下表。

            Us

气

体

点

燃

电

压

             （伏）

 

                                                     P×d （托毫米）

                                图3  巴邢曲线

表

气   体	最低点燃电压Us（伏）	P×d （托×毫米）
O2	343	3.11
空气	269	5.2
H2	198	9.0
N2	215	4.19
Ar	131	3.56
NH3	～400	～10