7 第六章 表面改性方法2.ppt

6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 这种电离气体与普通气体有着本质区别： 首先，它是一种既能导电而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电的中性； 其二，气体分子间并不存在静电磁力，而电离气体中的带电粒子间存在库仑力，由此导致带电粒子群的种种集体运动； 再者，作为一个带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配等。 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 等离子体的产生： 产生等离子体的方法很多，但其主要着重点是使中性粒子电离： (1) 利用电子碰撞法：在低压气体中，总存在有自然电子。这些自然电子在外加高压电场的作用下，被加速并获得足够的能量，与中性粒子发生碰撞并使之电离，电离所产生的电子也会被电场加速与其他中性粒子碰撞并使之电离。从而产生雪崩式电离．形成等离子体。在离子渗氮、渗碳、渗硼等工艺中就是利用该方法获得等离子体的。 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 等离子体的产生： 产生等离子体的方法很多，但其主要着重点是使中性粒子电离： (2) 利用粒子热运动法．将中性气体加热到很高温度，使得分子和原子的热运动加剧，从而产生碰撞，使之离解为离子和电子。 (3) 利用电磁波能量，如用光、X－射线、г－射线等，使气体电离获得等离子体。 (4) 利用高能粒子的方法、如核聚变所用的方法获得等离子体。 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 按照产生的形式，等离子体可以分为： (1) 天然等离子体 宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如恒星星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层等。太阳本身就是一个灼热的等离子体火球。 (2) 人工等离子体 如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。等离子体炬（焊接、新材料制备、消除污染）中的电弧放电等离子体。气体激光器及各种气体放电中的电离气体。 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 入射粒子 非弹性碰撞效应 反冲注入 注入 溅射粒子： M0、M+、M-、Mn 光子 基材M 通道注入 二次电子 X-射线 反射粒子 I0、I+、I-、In 弹性碰撞效应 离子轰击固体表面的物理、化学现象 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 二、离子渗氮 离子氮化设备主要由真空氮化炉、抽真空系统、供气系统、电控系统、测温系统等组成。 图3-２ 离子氮化设备示意图 1-气瓶；2-针形阀；3-浮子流量计；4-进气管；5-冷却水进水口； 6-冷却水出水孔；7-真空罩；8-窥视孔；9-观察窗；10-工件；11-阳极；12-阴极柱；13-真空泵；14-光电测温仪；15-温度表；16-直流电源 +_ _ 1 2 3 7 6 4 8 5 10 9 11 13 12 16 14 15 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 工艺原理 离子氮化是在密闭的真空炉内，将清洗后的被渗工件放置在阴极盘上（或吊挂在阴极挂具上）。将真空炉抽真空至一定的真空度（6Pa）后，充入一定流量的含氮气体，如氨气、氨热分解气或以一定比例混合的氮氢混合气，并将气压保持在1.33×102～1.33×103Pa左右，在阴极（工件）和阳极（真空室壳）之间施加400～1000V左右的直流电压，将含氮气体电离成N+、H+和电子，并产生辉光放电现象。在高压电场作用下，N+、H+在电场的作用下以很大的速度轰击工件表面，将动能转化为热能，把工件表面加热到所需渗氮温度，与此同时，氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成渗氮层。 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 常用离子氮化工艺参数范围： 氮化温度450-650℃； 气压1.33×102～1.33×103Pa； 放电电压400～800V； 电流密度0.5~5mA/cm2；氮化时间根据工件的材质、氮化温度以及要求的渗氮层深度，为十分钟~几十小时。 +_ _ 1 2 3 7 6 4 8 5 10 9 11 13 12 16 14 15 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 离子对工件表面的轰击作用： （1）将工件表面的Fe、C、O原子打出，破坏了金属表面的氧化膜。 (2) 激发了工件表面的二次电子发射。 (3) 在工件表面形成5-10μm的厚的位错层。 图3-1 离子氮化原理图[3] 6.4 等离子体表面处理 第六章 表面改性技术 氮的渗入机理： J.K?lbel的溅射和沉积理论： 在离子轰击作用下，从阴极表面溅射出铁原子，与阴极附近的活性氮原子结合形成FeN, 由于背散射效应，一部分FeN又沉积到工件表面，在离子轰击和热激活的作用下，氮化铁发生分解： FeN→ Fe2N + [N]