利用辉光放电实现表面合金化的稀薄气体放电工艺

图9-2 稀薄气体放电伏安特性曲线

1.稀薄气体放电过程

离子化学热处理是利用辉光放电现象进行表面合金化的一项工艺技术。所谓辉光放电，是一种伴有柔和辉光的气体放电现象，它是在数百帕的低压气体中通过激发电场内气体的原子和分子而产生的持续放电。真空容器中的气体放电不符合欧姆定律，其电流与电压之间的关系，可用稀薄气体放电伏安特性曲线描述（见图9-2）。对含有稀薄气体的真空容器两极间施加电压，在施加电压的初期，电流并不明显，当电压达到c点时，阴阳极间电流突然增大，阴极部分表面开始产生辉光，电压下降；随后电源电压提高，阴极表面覆盖的辉光面积增大，电流增加，但两极间的电压不变，至图中d点，阴极表面完全被辉光覆盖；此后，电流增加，极间电压随之增加，超过e点，电流剧烈增大，极间电压陡降，辉光熄灭，阴极表面出现弧光放电。c点对应的电压称为辉光点燃电压。在Oc段，气体放电靠外加电压维持，称为非自持放电；超过c点即不需要外加电离源，而是靠极间电压使得稀薄气体中的电子或离子碰撞电离而维持放电，称为自持放电。从辉光点燃至d点，称为正常辉光区，de段为异常辉光区。离子化学热处理工作在异常辉光区，在此区间，可保持辉光均匀覆盖工件表面，且可通过改变极间电压及阴极表面电流密度，实现工艺参数调节。

气体性质、电极材料及温度一定时，辉光点燃电压与气体压强p和极间距离d的乘积有关，描述这种关系的曲线称为巴兴曲线（见图9-3）。电子在两次碰撞之间的平均路程与气体密度（即气压）成反比，pd的实质反映了一个电子从阴极到阳极过程中的平均碰撞次数。碰撞次数过少，引起分子电离所产生的离子数少，辉光不易点燃；碰撞次数过多，则每次碰撞前电子加速的路程短，电子达不到使分子电离所需要的速度，产生的离子数同样很少。因此，气压过高或过低，辉光都不易点燃，而在某一最佳平均碰撞次数下，所需阴极与阳极间气体点燃电压最低。采用氨气进行离子渗氮，在室温下pd=655Pa·mm时，点燃电压有一最低值，约为400V；当pd＞1.33×10²Pa·mm或pd>1.33×10⁴Pa·mm时，点燃电压可达1000V以上。由此可知，实现辉光放电应有足够的电压，离子渗氮的点燃电压一般为400～500V。

图9-3 辉光放电点燃电压与气体压强及两极间距离乘积的关系曲线

2.辉光放电现象

辉光是原子由激发态回到基态，或由电离态变成复合态时释放的电磁波。气体放电进入自持放电阶段后，由于电离系数较大，产生较强的激发与电离，因此可以看到辉光，但阴极与阳极间的辉光分布并不均匀，有发光部位和暗区，如图9-4所示。从阴极发射出的电子虽然被阴极位降加速，因刚离开阴极时速度很小，不能产生激发，形成无发光现象的阿斯顿暗区；在阴极层（阴极辉光区），电子达到相当于气体分子最大激发函数的能量，产生辉光；电子能量超过分子激发函数的最大值时，电离发生，激发减少，发光变弱，形成阴极暗区；在负辉区，电子密度增大，电场急剧减弱，电子能量减小而使分子有效地激发，此时辉光的强度最大；此后，电子能量大幅度下降，电子与离子复合而发光变弱，即为法拉第暗区；随后电场逐渐增强，形成正柱区，该区电子密度和离子密度相等，又称为等离子区，这一区间的电场强度极小，各种粒子在等离子区主要做无序运动，产生大量非弹性碰撞；在阳极附近，电子被阳极吸引、离子被排斥而形成暗区，而阳极前的气体被加速了的电子激发，形成阳极辉光且覆盖整个阳极。

图9-4 直流辉光放电中的电位U、电场X、空间电荷密度ρ及电流密度j

由于不同的气体电离所发出辉光的波长不同，辉光的颜色也有较大差异。表9-1列出了几种气体辉光在不同区域所呈现的颜色。辉光放电时，气体压强一般为400～13330Pa，辉光电流密度可达10^-2～10^-1mA/cm²，电压为几百伏，放电过程主要靠阴极上发射二次电子来维持。

表9-1 几种气体辉光在不同区域所呈现的颜色

3.阴极位降区(www.xing528.com)

阿斯顿暗区、阴极层及阴极暗区具有很大的电位降，总称为阴极位降，三区的宽度之和即为阴极位降区d_k。阴极位降区是维持辉光放电不可或缺的区域。

正常辉光放电时的阴极位降取决于阴极材料和工作气体种类，而与电流、电压无关，其值为一常数，等于最低点燃电压。当气体种类和阴极材料一定时，阴极位降区宽度d_k与气体压力p有下列关系：

式中，A为常数，γ为二次电子发射系数。

从式（9-1）可知，pd_k=常数。当阴极间距不变，减小压力至d_k=d时，则阴极与阳极间除阳极位降外，其他各部分都不存在，放电仍能进行，若p进一步减小，使d_k>d，辉光立即熄灭，因此，在一般的放电装置中，真空度高于1.33Pa便很难发生辉光放电；在其他条件不变的情况下，仅改变极间距d，d_k始终不变，其他各区相应缩小，一旦d＞d_k，辉光熄灭，这就是间隙保护的原理。一般间隙宽度为0.8mm左右。

异常辉光放电时，阴极位降及阴极位降区不仅与压力p有关，还和电流密度有关，并有下式：

式中，j为电流密度，a、b为常数。

4.空心阴极辉光放电

两平行阴极k₁及k₂置于真空容器中，当满足气体点燃电压时，两个阴极都会产生辉光放电现象，在阴极附近形成阴极暗区。当两阴极间距离d_k1k2>2d_k时，两个阴极位降区相互独立，互不影响，并有两个独立的负辉区，正柱区公用；当或气体降低时，两个负辉区合并，此时从k₁发射出的电子在k₁的阴极位降区加速，而它进入k₂的阴极位降区时又被减速，因此，如果这些电子没有产生电离和激发，则电子在k₁和k₂之间来回振荡，增加了电子与气体分子的碰撞概率，可以引起更多的激发和电离过程。随着电离密度增大，负辉光强度增加，这种现象称为空心阴极效应。

图9-5 空心阴极放电极间光强分布

如果阴极为空心管，空心阴极效应更为明显，其光强度分布如图9-5所示。空心阴极效应的出现，会在局部区域形成高温，且温度越高，电离密度越大，在实际生产中应特别注意。