【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及表面处理，特别涉及一种射频磁场辅助离子渗氮装置及方法。
技术介绍
1、离子渗氮是一种表面处理技术，通过在高温和真空环境下使用离子束或等离子体，将氮元素注入到材料的表面，与金属元素结合形成化合物，从而改善材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和其他性能。这一过程被用于提高金属零件的表面质量，增强其工程性能，延长使用寿命，并适用于各种工业领域。
2、在离子渗氮过程中，工件被置于真空室中(通常是置于阴极电位)，通过引入含氮等离子体或使用离子束发生器，将含氮粒子加速并注入到材料表面。这些注入的氮离子会与材料表面的原子结合，形成氮化层，从而增加材料表面的硬度。在离子渗氮中，等离子体的一般产生方式为辉光放电。
3、辉光放电，即通过在炉内正负极间施加电压，对气体进行电离，使气体转变为等离子态，炉内游离的气体离子在电场的作用下，高速轰击处在阴极电位的工件表面，使工件表面吸附气体原子并向材料内部扩散形成渗氮层。同时溅射出来铁原子和游离的气体粒子结合形成化合物并沉积在工件表面。
4、辉光放电的空心阴极效应，电子在辉光放电过程中，被两个相邻阴极的阴极降位区约束，在其中来回震荡，增加了与气体分子之间的碰撞几率，引起更多地激发或电离过程，电流密度和负辉光强度增加。
5、等离子体的另一种激发方式是射频放电，通常在极板上施加一射频(rf)偏压，从而在极板附近形成一射频等离子体鞘层。由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用。
6、射频放电
7、电感耦合式等离子体(icp)是利用电感线圈的电磁感应效应，在线圈内部感应磁场，带电粒子在磁场作用下做回旋运动，离子移动过程中与气体分子发生碰撞并电离，从而形成稳定的等离子体。icp中产生的电压通常在数千伏特到数万伏特之间，因此为气体离化提供的电离能更高。在渗氮过程中，氮原子的产生是由氮分子的离解而来的:n2→n2++e，n2+→n++n，第二步产生了活性氮原子。由粒子非弹性碰撞时能量交换定理可知，只有能量大于49ev的n2+碰撞氮分子才可能使氮分子离解产生活性氮原子n+。有研究表明，在活性屏离子渗氮过程中，当电压超过800v时，电场提供的能量才能使得有适量的活性氮原子被激发出来，进行有效渗氮。icp提供的能量远大于n2+→n++n产生活性氮原子所需的能量，因此能够在纯氮气氛围下高效渗氮。
8、离子渗氮是一种工业应用广泛的表面改性方法，与普通气体渗氮相比较，离子渗氮具有渗氮速度快、生产周期短、变形小、节约能源、易于实现局部渗氮等优点。然而离子渗氮本身具有一些无法克服的缺陷：传统的离子渗氮依赖于阴极辉光放电，工件与阴极相连，电场提供的等离子体密度低，要想提高等离子体密度，需要增大阴极电压。由于辉光放电空心阴极效应的影响，工件上电流密度分布不均，经常出现局部电流密度增强，导致工件局部过热、变形量大等问题；
9、对于一些复杂构件，复杂的阴极结构之间辉光放电相互影响，空心阴极效应更强烈，等离子体密度在工件各部位分布差异大，导致离子的注入不均匀，从而影响渗透深度和表面改性的均匀性。为了获得均匀的渗氮效果，研究人员尝试将工件置于悬浮电位下渗氮处理，然而处于悬浮电位下的工件温度远低于处于阴极电位下的工件，远远达不到阴极渗氮处理的效果。
10、传统离子渗氮通常将氨气、氮气与氢气混合气体作为反应气体，然而氨气具有腐蚀性，长期使用对腔体、真空泵、气路等都有不可逆的损害，对人体具有危害性，能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜。氢气在实验室环境中具有很大的爆炸危险性，大部分高校或者研究机构不允许氢气的使用。
11、目前广泛使用的还是辉光放电渗氮炉，等离子体密度低，若想获得较厚的渗氮层，需提高温度，延长热处理时间，能耗高，且易导致工件大变形，由于辉光放电造成边缘处与表面中心等离子体密度相差较大。
12、针对传统阴极辉光离子渗氮渗层不均匀的现象，研究人员阴极辉光放电的基础上，开发出活性屏离子渗氮方法，该方法的原理是在现有阴极的基础上，通过增设网状阴极笼，给阴极笼施加比工件更低的负偏压，使电流与离子轰击更多的集中在阴极笼上，从而减少工件上由于离子轰击产生的热能，避免工件表面打弧；另外由于阴极面积在炉内的分布面积增加，会增加炉内的温度均匀性。但活性屏离子渗氮方法由于大部分离子被阴极笼吸引，工件表面的等离子体密度低，能量低，导致针对工件的渗氮效率较低。在悬浮电位下渗氮具有均匀性好，无表面打弧现象等好处，但渗氮效率远不如传统渗氮或活性屏渗氮，目前没有较好的在悬浮电位下高效渗氮的解决方案。
13、由于纯氮气渗氮所需的离解能高，传统的辉光放电需要以很高的电压输入为其提供能量，相比于用氨气、氮气和氢气混合气渗氮效率低，能耗高，因此目前几乎都是采用氨气、氮气和氢气混合气渗氮，没有采用纯氮气渗氮的工艺方法，但氨气、氮气与氢气混合气体渗氮污染严重，危险系数高。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种射频磁场辅助离子渗氮装置及方法，以解决针对辉光放电离子渗氮方法等离子体密度不足，无法有效制备渗层厚度大且整体变形小的渗氮层，渗氮效率低，渗层不均匀，打弧严重的现象，用氨气、氮气与氢气混合气体渗氮污染严重，危险系数高等问题。
2、本专利技术第一方面实施例提供一种射频磁场辅助离子渗氮装置，所述射频磁场辅助离子渗氮装置设置在目标离子渗氮炉中，其中，所述射频磁场辅助离子渗氮装置包括：
3、绝缘屏蔽部件，所述绝缘屏蔽部件用于放置目标工件，并使所述目标工件处于悬浮状态；
4、射频电源，所述射频电源用于发射预设功率的电信号；
5、匹配器，所述匹配器与所述射频电源连接，用于匹配所述射频电源与电磁线圈之间的阻抗；
6、电磁线圈，所述电磁线圈穿过所述绝缘屏蔽部件与所述匹配器连接，用于根据所述电信号激发电磁感应等离子体，以对所述目标工件进行离子渗氮。
7、本专利技术第二方面实施例提供一种射频磁场辅助离子渗氮方法，采用设有所射频磁场辅助离子渗氮装置的目标离子渗氮炉，包括以下步骤：
8、将目标工件置于电磁线圈的作用范围内，并采用绝缘屏蔽部件将所述目标工件与阴极和阳极隔开，以使所述目标工件处于悬浮电位；
9、向所述目标离子渗氮炉通入预设氮气混合物，在炉内气压到达100～1000pa，将所述炉内气压抽真空至5pa以下；
10、加热所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种射频磁场辅助离子渗氮装置，其特征在于，所述射频磁场辅助离子渗氮装置设置在目标离子渗氮炉中，其中，所述射频磁场辅助离子渗氮装置包括：
2.一种射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，采用设有了权利要求1中所述的射频磁场辅助离子渗氮装置的目标离子渗氮炉，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，所述预设氮气混合物包括氮气、氮氢混合气或纯氮气中的任一种。
4.根据权利要求2所述的射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，在将所述目标工件置于所述目标离子渗氮炉的线圈作用范围内之前，还包括：
5.根据权利要求2所述的射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，所述加热所述预设炉体至400～580℃后，包括：
6.根据权利要求2所述的射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，所述激发所述电磁线圈产生电感耦合等离子体，包括：
7.根据权利要求2所述的射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，所述将所述炉内温度降至当前室温，包括：
【技术特征摘要】
1.一种射频磁场辅助离子渗氮装置，其特征在于，所述射频磁场辅助离子渗氮装置设置在目标离子渗氮炉中，其中，所述射频磁场辅助离子渗氮装置包括：
2.一种射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，采用设有了权利要求1中所述的射频磁场辅助离子渗氮装置的目标离子渗氮炉，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的射频磁场辅助离子渗氮方法，其特征在于，所述预设氮气混合物包括氮气、氮氢混合气或纯氮气中的任一种。
4.根据权利要求2所述的射频磁场...
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