DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

Transkript

1 DOUTNAVÝ VÝBOJ 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

2 Doutnavý výboj Připomeneme si voltampérovou charakteristiku výboje v plynech :

3 Doutnavý výboj Připomeneme si, jaké děje probíhají v doutnavém výboji:

4 Doutnavý výboj

5 Doutnavý výboj Průběh potenciálu a hustoty částic (n+.. ionty, n-.. elektrony) v doutnavém výboji

6 Doutnavý výboj Zapalovací napětí výboje určuje Paschenův zákon, určitou roli hraje i materiál elektrod. Po zapálení klesá impedance plazmatu a napájecí napětí poklesne na provozní hodnotu. Je zřejmé, že klíčovou roli v doutnavém výboji hrají děje v oblasti katody. Při nízkých hodnotách proudu je katoda pokryta malou svítící ploškou, její plocha je úměrná proudu. Hustota katodového proudu je konstantní a proto i velikost úbytku napětí (katodový spád napětí) je konstantní. V-A charakteristika mírně klesá (záporný odpor v důsledku klesající impedance plazmatu) normální doutnavý výboj. Při takovém nárůstu proudu, kdy světelná vrstva pokryje celou katodu se výboj mění v anomální charakteristika roste. Je to důsledek převažujícího vlivu dějů na katodě, především rostoucím podílem sekundární emise elektronů z katody na celkovém proudu a rostoucí teploty katody.

7 Doutnavý výboj Hlavní příčinou nerovnoměrného průběhu potenciálu je rozdílná pohyblivost elektronů a iontů. V oblasti katody převažují kladné ionty vytváří se tam oblast kladného prostorového náboje. V této oblasti je soustředěn úbytek potenciálu, tj. je tam nejsilnější elektrické pole urychlující ionty ke katodě. Tato skutečnost se výrazně uplatňuje v plazmových technologiích. Existence oblastí s různou emisí světla souvisí s postupným urychlováním elektronů, které nárazem ionizují nebo jen excitují neutrální molekuly. Při následné rekombinaci nebo deexcitaci dochází k emisi optického záření jak ve viditelné oblasti, tak UV i IR podle energetické struktury molekul a atomů plynu. Oblast negativního sloupce odpovídá prvotnímu urychlování elektronů. Ztráta energie elektronů se projeví poklesem optické emise - tmavý Faradayův prostor. Následuje postupné urychlování elektronů a obnovuje se jejich schopnost ionizace a excitace kladný sloupec. Tato část se využívá při aplikacích ve zdrojích světla.

8 Doutnavý výboj hoří v rozsahu tlakůřádově Pa. Průběh optické emise podél výbojové trubice souvisí především se střední volnou dráhou elektronů. S klesajícím tlakem se sice prodlužuje a elektrony získávají mezi srážkami vyšší energii, ale klesá pravděpodobnost srážek a klesá účinný průřez jak pro ionizaci, tak pro excitaci. Tato skutečnost vymezuje i rozsah tlaků vhodných pro technologické aplikace : 10 0 až 10 1 Pa. Doutnavý výboj

9 Plazmová nitridace Jako první aplikaci plazmatu v režimu doutnavého výboje uvádíme plazmovou nitridaci. Tato technologie aktuálně vytlačuje klasické nitridovací technologie, které jsou časově náročné, vyžadují vysoké teploty povrchu součástí atd. Plazmová nitridace se navíc realizuje v silně nerovnovážných podmínkách za jakých vznikají modifikace povrchových vrstev jiným způsobem nedosažitelné. Plazmová nitridace

10 Plazmová nitridace Při plazmové nitridaci je obrobek vystaven v dusíkové atmosféře o tlaku cca Pa působení plazmatu doutnavého výboje hořícího s napětím v řádu několika set voltů. Dusíkové ionty dopadají s energií danou urychlením v oblasti katodového spádu a dusík přitom difunduje do povrchové vrstvy polotovaru. Složení pracovní atmosféry lze v závislosti na určení nitridovaného dílu optimalizovat přidáním vodíku nebo metanu a dosáhnout tak různých vlastností povrchových vrstev. Na rozdíl od klasických postupů nevyžaduje plazmová nitridace dodatečné obrábění, neboť změny rozměrů se pohybují v rozmezí 3 až 6 µm. Díky relativně nízké procesní teplotě C zůstávají díly po zpracování tvarově stabilní, polotovary s extrémně kritickou geometrií mohou být předem vyžíhány.

11 Plazmová nitridace Výrobek je zapojen jako katoda, anodou je stěna komory a mezi elektrodami hoří doutnavý výboj. Důležitou roli hraje oblast katodového spádu, v níž elektrické pole urychluje ionty dusíku dopadající na povrch výrobku s energií až stovek ev. Část iontů je implantována a dále difunduje do povrchové vrstvy. Dopad iontů ale způsobuje sekundární emisi a to nejen elektronů, ale především atomů železa, uhlíku a kyslíku.

12 Plazmová nitridace Atomy Fe vyražené z povrchu jsou částečně ionizovány elektrony a tím i chemicky aktivovány. Dochází k reakcím s plynným dusíkem a vzniku různých fází nitridů železa. Navíc se na povrch vracejí i energetické ionty Fe a vytvářejí fázi Feα. Dále dochází k odstranění oxidů, ke tvorbě karbidů železa a dalším reakcím. V případě vyššího legování reagují s dusíkem i sekundárně emitované atomy legur.

13 Iontová nitridace povrchové vrstvy ocelí vede ke značnému zvýšení tvrdost povrchu při současném zachování dobré houževnatosti. Takto iontově nitridované zpracované povrchy součástí vykazují vysokou otěruvzdornost, odolnost proti vzniku únavových trhlin, lepší odolnost proti korozi a teplu. Plazmová nitridace

14 Plazmová nitridace Kromě čisté plazmové nitridace lze realizovat i další procesy: Ve směsi N 2 + O 2 dochází k oxinitridaci. Ta zabezpečuje vynikající odolnost proti korozi jak působením vodou, tak i proti slabým kyselinám a louhům. Je patrné i zlepšení třecích vlastností a téměřčerná barva, která po konzervaci značně zvýrazňuje dekorační vlastnosti dílů. Ve směsi N 2 + C 2 H 2 nebo N 2 + CH 4 dochází ke karbonitridaci. Na povrchu se vytváří fáze ε karbonitridu nebo karbonitridy legur. Vrstva karbonitridu je podstatně silnější než při nitridaci.

15 Plazmová nitridace Progresivní technologií plazmové nitridace je použití pulzního režimu. Metoda se označuje PIII nebo PI 3 (Plasma ion implantation by immersion). Výhodou pulzního režimu je snížení tepelné energie přinášené ionty do povrchu součástí a tím snížení pracovní teploty. V počátku cyklu je substrát na záporném napětířádu stovek voltů, el. pole odpuzuje elektrony a substrát je obklopen vrstvou kladných iontů (Debyeova stínící vrstva), které jsou k němu přitahovány a vrstva ochuzená o ionty se zvětšuje, děj trvářádově 10-6 s. V okamžiku, kdy se účinkem prostorového náboje el. pole substrátu vykompenzuje, je zdroj napětí vypnut. Dojde k rekombinaci a obnovení rovnováhy v rozložení náboje, nežádoucí kladný náboj na povrchu je neutralizován elektrony difundujícími z prostoru okolo substrátu. Následuje další napěťový pulz. Perioda trvá několik desítek mikrosekund opakovací frekvence pulzů je řádově desítky khz.

16 Plazmová nitridace

17 Plazmová nitridace