活性屏等离子体源渗氮技术原理及应用

　　等离子体渗氮技术在制造业中广泛应用，但等离子体直接在工件表面产生，存在如工件表面电弧烧损、边缘效应和空心阴极效应等固有的技术缺陷，制约了技术的推广应用。1999年，卢森堡工程师Georges的美国发明专利[1]介绍了一种新的活性屏离子渗氮技术(Active screen plasma nitriding，或是Through cageplasma nitriding) 。活性屏等离子体源渗氮技术是在渗氮真空室内增加一个金属屏为阴极，金属屏上施加直流/脉冲电压，在金属屏与真空室炉体内壁之间发生辉光放电，产生直流/脉冲等离子体，工件置于金属屏内，并处于悬浮电位或施加低的负偏压。图1给出了活性屏等离子体源渗氮装置示意图和照片。金属屏在渗氮过程中具有两个作用: 一是等离子体加热金属屏，通过热辐射将工件均匀加热至渗氮处理需要的温度; 二是作为等离子体源向工件表面提供渗氮所需的混合了离子、电子、以及其它中性粒子的活性渗氮源，完成渗氮过程。

　　较常规离子渗氮技术，活性屏等离子体源渗氮技术消除了常规离子渗氮技术中，工件表面存在油脂和铁锈造成的电弧烧损; 降低了炉内温度分布不均匀和边缘效应造成的不均匀渗氮效果; 避免了工件几何形状具有小尺寸孔径或沟槽引起的空心阴极效应; 具备了改性聚合物和陶瓷等非导电性材料的能力，并且工件表面可以沉积扩散金属屏含有的合金元素，进行表面合金化处理。因此，活性屏等离子体源渗氮技术具有着明显的设备和工艺优势，适用于多种材料表面的硬化处理，降低了对工件几何尺寸的要求，具有极大的应用潜力，已然成为国际研究的热点方向。

　　本文介绍了活性屏等离子体源渗氮技术传质机理的研究进展，在改性低合金钢、不锈钢、工具钢、聚合物材料以及抗菌功能材料等方面的最新结果，评述了活性屏等离子体源渗氮技术存在的问题和发展趋势。

　　1 活性屏等离子体源渗氮技术的传质机制

　　活性屏等离子体源渗氮技术是基于气体辉光放电原理和余辉放电(Post-Discharge)渗氮技术发展而来的。虽然该技术已经成功应用，但其渗氮传质机制仍不明确，限制了工业化水平。近年来，对活性屏等离子体源渗氮技术的传质机制大量的实验研究，提出了“溅射沉积”模型、“溅射-吸附-脱附-扩散”模型、高能氮粒子注入模型，以及活性氮源吸附模型。

　　1.1 溅射沉积传质模型

　　2002年，Li等[3]根据 Edenhofer提出的“溅射再聚集”模型[4-5]，发展了“溅射沉积”模型。等离子体渗氮过程从阴极工件表面溅射出来的铁原子，在等离子体压降区与活性氮原子结合形成氮化铁，形成的氮化铁