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2025/7/111第四节等离子体表面处理

离子轰击法的历史2025/7/112离子轰击法的历史可追溯1920年。德国的Franz，Skaurw开始利用惰性气体中的辉光放电加热金属工件。1930年德国的Bernhar，Benghous和美国的JohnJ．Egan同时取得了气体放电离子渗氮法的专利。但是由于当时的电子技术落后，只能在小电流下试用。直到第二次世界大战后的50、60年代，才使离子轰击渗镀技术逐步在工业上获得应用。我国自70年代以后才大力开展这项技术的研究应用。到1986年，全国已有约1000台离子轰击炉，数量上已居世界首位。

1.离子轰击渗镀原理2025/7/113离子轰击渗镀是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，使表面成分、组织结构及性能发生改变的处理方法。它与传统的固、液、气态中的渗镀原理不同，是物质的第四态——等离子体在热渗镀领域的应用。0102

通过辉光放电获得的等离子体实际上是正离子、负离子、分子、中性原子、电子、光子等各种粒子的复合体。其中的带电粒子在电场的作用下作定向运动，具有足够能量的粒子与中性的气体原子或分子相撞，会使其处于激发态，成为活性原子或离子。这些活性原子或离子，比较容易被金属表面吸收，进入金属内部。

离子轰击渗镀的基本方法如图所示。以工件为阴极，容器壁为阳极，调节渗剂送气和抽气速率，使维持133～1333Pa的压力，极间施以300V以上的直流电压，使产生辉光放电。

用离子轰击进行渗镀，有以下优点：2025/7/117由于离子对表面的轰击可使表面高度活化，加之离子和随离子一起冲击表面的活性原子都易被表面吸收，因而渗镀速度特快。1例如，在指定的温度和氮化层深度时，离子渗氮比气体渗氮的时间缩短1倍。2

可方便地通过调整渗剂气成分、有关电参数和气体参数控制渗镀层组织，从而实现对渗镀层的要求。由于离子的轰击作用，可以去除氧化膜和钝化膜，对于那些易氧化或钝化的金属，如不锈钢，特别适合。辉光放电可均匀地覆盖于工件表面，因此比较适合形状复杂及多沟槽和孔隙工件的处理。易实现工艺过程的计算机控制。

2.气体的放电过程2025/7/119使气体由良绝缘体变成良导体的现象称为气体放电。01气体放电的必要条件是气体中带电粒子的存在和一定电场强度的存在。01由于宇宙射线的作用会使气体中某些原子被电离，因此气体中总是存在着微量的电子和离子的。在有电场存在的情况下，微量的带电粒子会发生定向运动。运动中要与中性气体原子发生碰撞从而出现各种现象。01

(1)电子与气体的碰撞激发和电离2025/7/1110当运动中的电子和气体原子相撞时，会把能量传给原子，从而使原子中的电子从正常能级跃迁到较高能级，成为不稳态或亚稳态的受激原子。按碰撞能量的不同，可升高到的能级也不同，称为一次、二次、三次激发，相应的电位差，分别称为第一、第二、第三激发电位。受激电子会很快返基态（10-2～10-10s内），把能量hυ（h为普朗克常数，υ为频率）以光子形式辐射出来而产生辉光，辉光的颜色由频率而定，如空气为粉红色、氢为淡蓝色、氨为紫蓝色、丙酮为蓝色等等。

随电场强度的增加，电子的运动速度增大，当大到一定程度时，会使所撞的原子中的某个电子飞离原子，或者说把基态电子激发n=∞能级上，这种现象称为电离。从气态中性分（原）子电离出第一、第二、第三个电子所需的最低电位称为第一、第二及第三电离电位。

当电子的速度过大时，使气体的激发或电离的能力不仅不会增大，反会变小，这种情况下电子的能量未能充分传递就飞离了原子。所以为实现电离，也不能采用过大的电场强度；

运动中的电子与气体碰撞几率与气体的密度或压力成正比。设为电子连续两次碰撞的平均距离，称平均自由程，显然碰撞几率与成反比。而平均自由程又与气压成反比，即；

电子在低压气体电场E中的动能，可以下式表示：可见，在场强E一定的情况下，电子的动能与气压成反比。这就是说，如果气压P太小，电子在单位距离内与气体碰撞的几率太小，或者说电子所获得的动能太大，高速飞离气体分子，因此电离不能充分进行。

通常用电子电离系数α定量表示电子与气体碰撞产生电离的程度。如果气压P较大，分子密度较高，会很小，电子还没有获得足够的能量即和某分子相撞，也达不到电离的目的。所以在实际应用中，适当地调控场强E和气体压力P两个参数对于本工艺是至关重要的。

(2)离子引起的激发与电离2025/7/1116在电场力的作用下，离子也会发生定向运动，在运动过程中也会与中性原子或分子发生碰撞，但是计算表明：由于其质量大，加速慢，碰撞时最多只有1/2的能量传递给被撞气体，不能激发电子脱离原子。01只有电场强度足够大．使离子获得1OO0eV以上的动能时，才可出现相当于电子