離子滲氮的理論基礎及離子滲氮理論
離子滲氮的理論基礎及離子滲氮理論
等離子體的基礎知識
離子滲氮是在真空爐體內，通過稀薄氣體放電，形成由離子、電子和中性粒子所構成的局部電離狀態（即等離子體）中進行的，因此，了解等離子體的產生、放電特性是非常必要的。
一、等離子體的基礎概念
所謂等離子體是指一種電離氣體，是由離子、電子和中性粒子所組成的集合體，整個顯中性，它是一種由帶電粒子組成的電離狀態，稱為物質的第四狀態。
二、等離子體的獲得
要獲得等離子體必須使中性粒子電離，而使中性粒子電離的方法有多種，以下列出了其中的三種方法。
1、低氣壓氣體放電獲得等離子體。離子氮化爐就是利用這種方法。
2、利用高能粒子的方法。如核聚變所用的方法。
3、利用電磁波能量的方法。如用X射線、γ射線使氣體電離。
三、等離子體的性質
1、等離子體在宏觀上是電中性的
等離子體是電離了的氣體，它由電子、離子和中性粒子三種成分組成。其中電子和離子的電荷總數基本相等，因而作為整體是點中性的。
2、等離子體具有很高的導電率，等離子體在宏觀上雖然是電中性，但由於體系中包含有大量的帶電粒子（電子和離子），而且濃度很高，所以具有很好的電導性。
3、等離子化學反應比熱化學反應容易進行
等離子化學反應的特徵是熱力學上穩定的激發態和離子態，這種反應大多數活化能是很低的，例如在離子分子反應中大多數場合活化能為零，使其反應易進行，變成受擴散支配的反應。
氣體放電的伏安特性
由中性原子、分子組成的氣體，一般情況下是不導電的。由於自然界存在的各種輻射（宇宙射線、紫外線、放射性元素產生的γ射線等）使氣體電離，出現了微量原始電荷（原始載流子）。在近地面的大氣中其濃度約為1000離子偶/cm3。於是在直流高壓電場下，低壓（稀薄）氣體中的電子被加速向陽極運動，並碰撞氣體原子、分子，使之不斷被電離產生新電子、離子——自激（或次級）載流子。上述過程中產生的正離子在電場加速下轟擊陰極，造成二次電子發射並維持放電過程，於是，氣體就具備了導電性能。隨著放電電流的加大，放電逐漸增強，從湯生德放電過渡為輝光放電、弧光放電。這後兩种放電就是所謂「自持」放電，即在沒有外電離源情況下也能維持的放電。
測量氣體放電時兩極間電壓與電流關係的裝置（如圖2-1）和得到的伏安特性曲線如圖2-2所示。
圖2-1中，A為陽極、B為陰極、C是放電管、V是直流電源、K是開關、R是限流電阻。
圖2-2是用圖2-1所示裝置測得的氣體放電伏安特性曲線，可以看出，陰陽極間氣體放電時，兩極間電壓與電流之間的關係不符合歐姆定律。
對真空容器的兩極逐漸增加電源電壓的過程中，開始階段極間電壓很低，不可能發生電子與氣體間的碰撞電離，因而陰陽極間並沒有可見的電流，這隻能靠外電源維持的非自持放電。當電壓增加到C點（Vs）後即由非自持放電過渡到依靠二次電子發射維持的自持放電階段，兩極間突然出現了大的電流，陰極部分表面產生了輝光，若繼續增加電源電壓（或減小限流電阻），則兩極間電壓立即下降到E點的數值。此時繼續增加電源電壓或減小限流電阻，陰極表面覆蓋輝光的面積隨之增大，電流增大，但極間電壓不變，至圖中所示的F點時陰極表面完全為輝光覆蓋。再繼續增加電源電壓（或減小限流電阻），隨著電流的增加，極間電壓也上升，如圖中的FG段。過了G點以後，電流突然急劇增大，而極間電壓反而急速地下降，這時輝光熄滅，陰極表面出現強烈的弧光放電。
圖中C點電壓稱為輝光點燃電壓，C點之前稱為非自持放電（即不能脫離天然電離源的存在）階段，C點之後稱為自持放電（即輝光放電）階段，OB段為無聲非自持放電、BC為非自持暗放電，CD段為自持暗放電，DE段為自持的正常輝光放電前的過渡階段，EF段為正常輝光放電區，此區的電壓基本不變，電壓值接近點燃電壓的最低值，在離子滲氮爐中約400~500V。FG段稱為異常輝光放電區，離子滲氮爐運行中主要用的就是這一段，在這個區段可通過控制電壓調節電流，從而控制工件的加熱溫度，G點以後稱為弧光放電區，由圖可見，G點的電流和電壓均很高，這種弧光放電形式只有在陰極表面極為純凈時才會發生，在離子滲氮爐中往往在不大的電壓和電流以及很低的溫度下就過渡到弧光放電。弧光放電是在陰極表面某一小區域與陽極之間進行，大量的正離子轟擊陰極一個小區域，很短時間就可以使該陰極局部因高溫而熔化損壞。因此，離子滲氮爐中應注意避免發生弧光放電，電源控制系統應能在發生弧光時自動切斷電源熄滅弧光，然後自動點燃輝光，繼續工作。
1.正常輝光放電
正常輝光放電是一種穩定的自持放電，對應著伏安特性曲線的EF段。正常輝光放電時，從陰極到陽極輝光的光強度分布是不均勻的。從陰極至陽極的整個放電空間可分為八個區，依次為：阿斯頓暗區、陰極輝區、陰極暗區、負輝區、法拉第暗區、正柱區、陽極暗區、陽極輝區。
阿斯頓暗區、陰極輝區、陰極暗區這三個區域之和稱為陰極位降區，其區域寬度之和稱為陰極位降區長度dk，dk若再加上負輝區寬度，則稱為陰極放電長度。陰極位降區是維持輝光放電不可缺少的條件。輝光放電時陰陽兩極之間各區的電壓降並不均勻，陰極位降區電壓陡降，其它區電壓降比較平穩。
正常輝光放電時，在氣體種類和陰極材料一定的情況下，不論氣壓和極間距離如何，陰極位降都是一常數，等於最低點燃電壓。具體表現為，正常輝光放電中，當氣體種類和陰極材料一定時，陰極位降區長度dk僅和氣體的壓強P成反比，即P·dk=常數，如氨在低溫正常輝光放電時，P·dK=667Pamm。
2.異常輝光放電
離子滲氮時應把工作狀態調節在伏安特性曲線的異常輝光放電區，即圖中的FG段，這時放電電流密度隨電流成比例增大，電場更加畸變，此時陰極位降和陰極位降區既和氣壓有關，還於電流密度有關，陰極全部布滿輝光。與正常輝光放電相比，異常輝光放電具有更大的電流、電壓，也提供了工件升溫和進行氣相反應、陰極濺射等所必需的能量條件。
輝光的顏色因氣體種類不同而異，氫呈淡藍色，氮呈紫紅色，氨呈紫藍色。
離子滲氮理論及離子滲氮的特點
一、離子滲氮理論
二十世紀六十年代離子滲氮理論開始應用於生產實際，至今已經歷了近四十年，離子滲氮已經成為離子熱處理技術中最成熟、最普及、最富有生命力的工藝。
隨著工藝技術的進步，離子滲氮理論也在不斷充實完善，但至今尚無一種理論能解釋所有離子滲氮現象，因此，從這種意義上講，等離子體熱處理的實際應用已遠遠走在了其理論前面。
人們在不同的試驗條件下，先後提出了濺射、氮氫分子離子化、中性原子轟擊等幾種離子滲氮理論。儘管這些不同程度地存在一定的局限性，但不容置疑的是，這些理論都在一定程度上指導著應用技術的研究，指導著實踐。
以下僅對濺射理論做一簡要介紹。
濺射理論是一種為許多人所接受（或默認）的經典理論，該理論於1965年由J.kolbel提出，其模型如圖3-1所示。該理論認為，滲氮層是通過陰極濺射形成。在真空爐體內，工件為陰極，爐體為陽極，加上直流高壓後，稀薄氣體電離，形成等離子體。N+、H+、NH3+等正離子在陰極位降區被加速，轟擊工件（陰極）表面，其動能消耗於：
①轉化為熱能加熱工件。
②打出電子，產生二次電子發射。
③陰極濺射。高能正離子轟擊陰極造成C、N、O、Fe等原子濺射，而Fe不斷與陰極表面附近的活性氮原子化合成高氮化合物FeN（Fe成為活性氮的載體），由於背散射又沉積到陰極表面，隨後在離子轟擊和熱激活作用下，氮化鐵分解（FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N）轉變為低氮化合物，分解析出的氮原子一部分擴散進鋼鐵內，一部分返回等離子區。
這一模型的主要試驗根據是收集急冷的濺射沉積物，分析其中的氮含量約達19.7%，於是推斷是理論含量20.05%的FeN。
二、離子滲氮的特點
（一）離子滲氮的優點
與氣體滲氮相比，離子滲氮具有許多優點，主要表象在：
1、滲速快
等離子體不僅供氮化能力強，而且可使工件表面活化，產生加速吸收和擴散的缺陷，因而離子滲氮可以大大縮短滲氮時間，特別是淺層滲氮時更為突出。例如滲氮層深度在0.3~0.5mm時，離子滲氮的時間僅為普通氣體滲氮時間的1/3~1/5。
2、滲層組織易於控制、脆性小
氣體滲氮工件表面會出現20μm以上的化合物層，是由ε+γˊ兩相組成的不均勻混合物層，裡層則為擴散層。因此，在化合物層內產生三向顯微應力，若在此應力方向上再略施加外力，就會產生微小裂紋。此裂紋逐漸擴展而使整個化合物層剝落。含鉻、鋁滲氮鋼的化合物層很脆，氣體滲氮後均要把它磨去後才能使用。離子滲氮可以通過控制氣氛中的氮和碳的含量比，或N2和H2的比例，可以獲得5~30μm厚的脆性較小的ε相單相層或0~8μm厚的γˊ相單相層，也可得到韌性更優的無化合物層而僅有擴散層的滲氮層。這樣可以不需要磨削直接裝機使用。
3、工件變形小
因離子滲氮滲速快，所以滲氮時間大大縮短，又由於離子滲氮可以在更低的溫度下進行（事實上350℃以上離子滲氮就有明顯的硬化效果），並且陰極濺射作用可以彌補部分由於滲氮而造成的尺寸膨脹，真空加熱、真空冷卻可以控制加熱速度，使之均勻，所以變形量比氣體滲氮要小。
4、節能、省氣
離子滲氮時，由於採用輝光放電加熱工件，電能利用率高（主要集中消耗在工件上），與其它滲氮法的外熱式裝置相比，耗電較少。此外，因離子滲氮速度快，周期短，則必然比普通氣體氮化能耗低。據統計，電能消耗僅為氣體滲氮的40%~70%。離子滲氮是在66.5~798Pa低氣壓下進行的，離子滲氮的氣壓只相當於普通氣體滲氮的百分之一以下，因此耗氣量極少，僅為氣體滲氮的百分之幾。
5、無毒、無臭、無公害
氣體滲氮，鹽浴滲氮均有污染問題。離子滲氮可以用N2+H2、分解氨，無污染問題。即使採用氨氣進行離子滲氮，由於壓力很低，使用量極少，也不會產生公害及爆炸問題。
除上述優點之外，離子滲氮還具有滲層性能（耐磨性、耐蝕性等）優於氣體滲氮，設備維護費用低，使用壽命長，工作勞動強度小的特點。
二、離子滲氮的不足之處
1、離子滲氮設備相對比較複雜，一次性的設備投資通常比氣體滲氮高。
2、先進的工藝裝備對勞動者的素質要求較高。
3、準確測定零件溫度較困難。
4、離子滲氮的溫度場是不均勻的溫度場，要使所裝各工件（尤其是混裝）溫度均勻一致較困難，需積累一定的經驗。
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