一种低气压等离子体增强渗氮的设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面改性技术领域，特别涉及一种渗氮的表面改性设备，另外还涉及其方法。
【背景技术】
[0002]钢铁渗氮的研宄始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。
[0003]渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。常用的是气体渗氮和离子渗氮。
[0004]离子渗氮又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。
[0005]与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是:①可适当缩短渗氮周期渗氮层脆性小；③可节约能源和氨的消耗量；④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；
⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮；
⑥渗层厚度和组织可以控制。
[0006]但是，普通离子渗氮的工作气压为133Pa?1330Pa，在气压低于10Pa的条件下，渗氮时间长，能耗大，这主要是因为在气压较低的条件下，气体稀薄，离子激发速率较慢，气体中氮离子含量低，渗氮效率大大降低，目前还没有用于在低气压条件下完成高效渗氮的设备及其匹配的渗氮方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种低气压等离子体增强渗氮的设备及方法，该设备通过热丝装置增加放电空间的电子数目及电子与气体分子的碰撞几率，促进气体的离化和活性基团的产生，使得气体能在0.1-1OOPa的数量级上维持稳定的辉光放电，将N2高效电离并沉积于工件之上，获得均匀的渗氮层。
[0008]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种低气压等离子体增强渗氮的设备，包括氮化炉腔体，氮化炉盖盖合于氮化炉腔体上部开口之上，其特征在于，所述氮化炉腔体底部安装有支撑平台，支撑平台上放置工件，支撑平台与工件偏压电源负极相连，支撑平台与氮化炉腔体绝缘，偏压电源正极与氮化炉腔体相连；所述氮化炉腔体内壁上固定安装有热丝装置，热丝装置的负极与热丝偏压电源负极相连，热丝偏压电源正极与氮化炉腔体相连，热丝装置与氮化炉腔体绝缘；所述氮化炉腔体壁上安装有真空系统，所述氮化炉腔体壁上还设置有腔室进气孔。
[0009]所述热丝装置采用热丝连接于直流电源两端电极之上，热丝装置的电路中设置有热丝装置开关，所述热丝为直径0.5-1.5mm的钨、钼或钽丝。
[0010]所述支撑平台与氮化炉腔体之间安装有支撑平台绝缘套，所述热丝装置与氮化炉腔体之间安装有热丝装置绝缘套。
[0011]所述氮化炉腔体内壁上还安装有加热器。
[0012]一种低气压等离子体增强渗氮的设备进行渗氮的方法，其特征在于:在真空条件下，将工件加热升温，启动工件偏压电源，启动热丝装置及热丝偏压电源，通入队及H2，引发队及H2电离形成增强放电的气体等离子体对工件渗氮，获得渗氮层。
[0013]所述低气压等离子体增强渗氮的方法，其特征在于，包括以下具体顺序步骤:
[0014]⑴前处理
[0015]将工件表面进行去油污、去毛刺和去氧化皮处理；
[0016](2)制备渗氮层
[0017]将步骤(I)处理后的工件置于上述低气压等离子体增强渗氮的设备中的支撑平台上，关闭氮化炉腔体，启动真空系统抽真空至真空度高于5.0X 10_2Pa，启动加热器加热工件使其升温至300°C?600°C，启动工件偏压电源，启动热丝装置及热丝偏压电源，通入N2及H2，至气压达到0.1?&-100?&，队及!12在工件偏压电源、热丝装置发射的电子及热丝偏压电源共同作用下电离形成增强放电的气体等离子体并包围于工件表面之上，进行氮化处理2-6小时，即得到渗氮层；
[0018]所述启动工件偏压电源，设置工件偏压电源的参数为工作频率5KHz-40KHz，占空比为5% -85%，偏压幅值为-400V?-1000V。
[0019]所述启动热丝装置，其中，通入热丝中的电流为20A-100A，热丝两端的电压为30V-100Vo
[0020]所述启动热丝偏压电源，设置热丝偏压电源的偏压为-1OV?-50V。
[0021]所述通入N2、H2的流量分别为 50SCCM ?500SCCM、H 250SCCM ?1000SCCM。
[0022]本发明的方法及其装置具有如下的有益效果:
[0023](I)本发明的一种低气压等离子体增强渗氮的设备是在传统设备上增加了热丝装置，该热丝装置在通电发热的情况下激发出大量的电子，大量的电子与氮气分子碰撞，激发氮气的电离，提高渗氮空间中氮离子的浓度，提高渗氮的效率，使得气压在0.1-1OOPa的条件下仍然可以实现高效的渗氮过程，解决了低压条件下离子渗氮的技术问题；
[0024](2)本发明所提供的离子渗氮及电弧离子镀膜的表面复合改性的方法，在离子渗氮阶段，通入N2电离的同时加入了一定量的H2，H2的加入可以降低产生活性氮原子的激活能，增加活性氮原子的数量，提高渗氮的效率。
【附图说明】
[0025]图1是一种低气压等离子体增强渗氮的设备的结构示意图。
[0026]图中:1氮化炉盖，2热丝偏压电源，3热丝装置绝缘套，4热丝装置开关，5热丝装置，6真空系统，7工件偏压电源，8偏压电源开关，9支撑平台绝缘套，10支撑平台，11腔室进气孔，12工件，13加热器，14氮化炉腔体
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于具体实施例。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示的一种低气压等离子体增强渗氮的设备，包括氮化炉腔体14，氮化炉盖I盖合于氮化炉腔体上部开口之上，氮化炉腔体底部安装有支撑平台10，支撑平台上放置工件12，支撑平台下端伸出氮化炉腔体并与工件偏压电源7负极相连，支撑平台与氮化炉腔体之间安装有支撑平台绝缘套9，以达到支撑平台与氮化炉腔体绝缘的目的，工件偏压电源正极与氮化炉腔体相连；支撑平台采用金属材料制成，使得工件12的电势与工件偏压电源负极电势相等，而氮化炉腔体外壁接地，电势为O。
[0030]氮化炉腔体壁上固定安装有热丝装置5，热丝装置采用热丝连接于直流电源两端电极之上，热丝装置的电路中设置有热丝装置开关4，热丝装置的负极与热丝偏压电源2负极相连，热丝偏压电源正极与氮化炉腔体相连，热丝装置与氮化炉腔体之间安装有热丝装置绝缘套14，以达到热丝装置与氮化炉腔体绝缘的目的，在氮化炉腔体外壁接地，电势为0，而热丝装置电势为负，这样在热丝装置与氮化炉腔体之间形成负的电动势，热丝激发出的电子在负电势的作用下离开热丝向真空室移动，增加电子与队或H 2分子的碰撞几率，促进了 N2的离化和H2活性离子的产生，同时利于电子的进一步激发和产生，提高离化的效率。
[0031]氮化炉腔体内壁上安装有加热器13，加热器可以采用电阻加热。
[0032]氮化炉腔体外壁上安装有真空系统6，真空系统6采用分子泵安装于氮化炉腔体外壁之上，机械泵连接于分子泵之上。
[0033]氮化炉腔体壁上还设置有腔室进气孔11，以通入队或H 2。
[0034]实施例2
[0035]采用实施例1所述设备进行低气压离子渗氮，包括以下具体顺序步骤:
[0036](I)前处理
[0037]将工件表面进彳丁去油污、去毛刺和去氧化皮处理；
[0038](2)制备渗氮层
[0039]将步骤(I)处理后的工件置于上述低气压等离子体增强渗氮的设备中的支撑平台上，关闭氮化炉腔体，启动