1　等離子體的概念
   等離子體是一種物質(zhì)的能量較高的聚集狀態(tài),被稱為物質(zhì)第四態(tài)。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(dāng)數(shù)量的電子和離子,表現(xiàn)出相應(yīng)的電磁學(xué)等性能,如等離子體中有帶電粒子的熱運(yùn)動和擴(kuò)散,也有電場作用下的遷移。利用粒子熱運(yùn)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(chǎn)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(fā)生一系列物理、化學(xué)現(xiàn)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(xiàn)象(也可看作蒸發(fā)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(jié)合的產(chǎn)物吸附在陰極表面的凝附現(xiàn)象、陰極二次電子的發(fā)射現(xiàn)象以及局部區(qū)域原子擴(kuò)散和離子注入等現(xiàn)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?dú)夥罩?利用工件(陰極)和陽極間稀薄含氮?dú)怏w產(chǎn)生輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。人們已普遍認(rèn)為這是一種成熟的工藝技術(shù),已用于結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼的滲氮,并由黑色金屬發(fā)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(shè)備不但引入了計算機(jī)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)優(yōu)化和自動控制,還研制發(fā)展了脈沖電源離子滲氮爐、雙層輝光離子滲氮爐等,達(dá)到了節(jié)能、節(jié)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(rèn)為,離子滲氮時,滲氮層是通過反應(yīng)陰極濺射形成的。在真空爐內(nèi),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(chǎn)生二次電子發(fā)射,同時產(chǎn)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(qū)。
     (2)氮?dú)浞肿与x子化理論M.Hudis提出了分子離子化理論,對40CrNiMo鋼進(jìn)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(rèn)為對滲氮起決定作用的是氮?dú)浞肿与x子化的結(jié)果,并認(rèn)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(jìn)行滲氮,他在離試樣1.5mm處加一網(wǎng)狀柵極,之間加200V反偏壓進(jìn)行試驗(yàn),得出對離子滲氮起作用的實(shí)質(zhì)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(chǎn)生的。
     (4)碰撞離析理論
     人們認(rèn)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(chǎn)生大量活性氮原子進(jìn)行滲氮。
     2.2　離子滲氮的主要特點(diǎn)
     (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(chǎn)生了清洗作用;②提高表面氮濃度,加快氮向試樣內(nèi)部擴(kuò)散。試樣表面對轟擊出來的Fe和N結(jié)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(chǎn)生表面脫碳,增加位錯密度等,加速了氮向內(nèi)部擴(kuò)散的速度。
      (2)熱效率高,節(jié)約能源、氣源。
      (3)滲氮的氮、碳、氫等氣氛可調(diào)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(jìn)行,工件畸變小。但準(zhǔn)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(shè)備較復(fù)雜,投資大,調(diào)整維修較困難,對操作人員的技術(shù)要求較高。