等离子体渗氮设备工艺技术原理

普通等离子体氮化工艺要求气体压力为3~10mbar，以保证等离子体与基底的完全接触。对与复杂形状的基底，如表面小沟槽或螺纹等，等离子体渗氮设备参数在复杂形状的附近分布会有一定的差异，引起周围电场的变化，从而改变该区域的离子浓度和离子轰击能量。若采用常规的等离子体渗氮，则在等离子体鞘层更容易发生离子碰撞，从而导致离子的能量降低，也更难激活更多氧化物金属表面，如不锈钢等。这复杂形状的基底条件也会导致区域温度过热，并且氮化特征与其它基底条件不同。但由于采用常规的等离子体渗氮工艺产生的这种异常辉光放电，放电参数是相互关联耦合的，因此不可能通过单独改变某一放电参数来控制氮化过程。
为解决这一问题，研究者们研制出低压等离子体，当气压低于10PA时，它不会产生异常的辉光放电。在射频作用下，热丝会产生一系列低气压的等离子体，这些等离子体充满了整个处理空间，其中含有大量的活性原子，这样就可以提高氮化效率。RF等离子设备氮化过程中，等离子体的产生与基底偏压的控制是分开的，因此可以分别控制离子能量和基底表面通量。因工作气压较低，消耗的气量也相应减少。
使用低能量直流辉光放电产生NH原子团进行氮化，利用这些高活性的原子团进行氮化，整个流程需要一台外接电源加热工件，其过程类似于气体氮化。该工艺不仅能控制表面拓扑，还能选择是否形成复合物层，并能在不改变表面结构特征的前提下，控制复合物层厚度和扩散层深度。如果金属表面有窄小的缝隙和孔洞，采用该工艺也能轻松实现氮化。
常规的等离子体氮化工艺采用直流或脉冲异常辉光放电。该技术在低合金钢和工具钢中的氮化处理效果较好，但对于不锈钢，尤其是奥氏体结构不锈钢，效果较差。氮化工艺在高温下会析出CrN，因此金属表面非常坚硬且耐磨，但缺点是容易腐蚀。利用该工艺制备的改性层含有一种名为扩展奥氏体的富氮层，通过低温和低压放电技术成功地解决了这一问题。24551