普通等離子體氮化工藝要求氣體壓力為3~10mbar,以保證等離子體與基底的完全接觸。對與復雜形狀的基底,如表面小溝槽或螺紋等,等離子體滲氮設備參數(shù)在復雜形狀的附近分布會有一定的差異,引起周圍電場的變化,從而改變該區(qū)域的離子濃度和離子轟擊能量。若采用常規(guī)的等離子體滲氮,則在等離子體鞘層更容易發(fā)生離子碰撞,從而導致離子的能量降低,也更難激活更多氧化物金屬表面,如不銹鋼等。這復雜形狀的基底條件也會導致區(qū)域溫度過熱,并且氮化特征與其它基底條件不同。但由于采用常規(guī)的等離子體滲氮工藝產(chǎn)生的這種異常輝光放電,放電參數(shù)是相互關聯(lián)耦合的,因此不可能通過單獨改變某一放電參數(shù)來控制氮化過程。
為解決這一問題,研究者們研制出低壓等離子體,當氣壓低于10PA時,它不會產(chǎn)生異常的輝光放電。在射頻作用下,熱絲會產(chǎn)生一系列低氣壓的等離子體,這些等離子體充滿了整個處理空間,其中含有大量的活性原子,這樣就可以提高氮化效率。RF等離子設備氮化過程中,等離子體的產(chǎn)生與基底偏壓的控制是分開的,因此可以分別控制離子能量和基底表面通量。因工作氣壓較低,消耗的氣量也相應減少。
使用低能量直流輝光放電產(chǎn)生NH原子團進行氮化,利用這些高活性的原子團進行氮化,整個流程需要一臺外接電源加熱工件,其過程類似于氣體氮化。該工藝不僅能控制表面拓撲,還能選擇是否形成復合物層,并能在不改變表面結構特征的前提下,控制復合物層厚度和擴散層深度。如果金屬表面有窄小的縫隙和孔洞,采用該工藝也能輕松實現(xiàn)氮化。
常規(guī)的等離子體氮化工藝采用直流或脈沖異常輝光放電。該技術在低合金鋼和工具鋼中的氮化處理效果較好,但對于不銹鋼,尤其是奧氏體結構不銹鋼,效果較差。氮化工藝在高溫下會析出CrN,因此金屬表面非常堅硬且耐磨,但缺點是容易腐蝕。利用該工藝制備的改性層含有一種名為擴展奧氏體的富氮層,通過低溫和低壓放電技術成功地解決了這一問題。24551