依靠辉光放电的离子渗氮技术自上世纪70 年代以来已获得广泛应用，但离子渗氮过程中工件的打弧和空心阴极效应影响渗氮质量以致损坏处理工件表面，是必须予以克服的一个技术问题对离子渗氮机理的研究认为，N2 的中性原子态和震动的分子态是在辉光放电渗氮过程中主要的反应微粒，这意味着渗氮时没有必要将工件处于几百伏甚至上千伏的阴极电位由此提出活性屏渗氮技术的思路活性屏离子渗氮技术（Active Screen Plasma Nitriding，ASPN）是近几年在欧洲出现的一种新型离子渗氮技术，它不仅解决了传统直流离子渗氮技术工件打弧、空心阴极效应、 温度测量困难、 大小工件不能混装和对操作人员要求高等一些技术难题，而且可以获得和直流离子渗氮一样好的渗氮效果在活性屏离子渗氮过程中，是将直流负高压接在铁制的笼子上，被处理工件罩在笼子中间，处于电悬浮状态或接负偏压在离子的轰击作用下，笼子被加热， 同时溅射下来一些纳米颗粒沉积在工件的表面进行渗氮因此， 在活性屏离子渗氮过程中，笼子同时起到加热工件和提供渗氮载体的两个作用设备的关键部件是活性金属屏，即上面所说的笼子，脉冲或直流电源的电流直接加于活性屏上，其产生的热依靠辐射均匀加热渗氮处理工件，同时由喷口喷入的气体产生等离子体，工件进行渗氮时活性屏被等离子体包围，等离子体按精心设计的流动方向均匀平缓地与处理工件接触， 实现均匀的渗氮。
机理研究发现， 从活性屏上溅射下来的纳米粒子在向工件表面的输运过程中， 粒子表面物理吸附了大量的活性氮原子，这些粒子沉积在被处理的工件表面后，物理吸附的氮发生解析，脱附下来的活性氮原子向钢基体内部扩散形成了渗氮层渗氮操作主要步骤如下：(1) 去除污锈的工件装入工件支架平台，密封炉体; (2) 启动真空泵使炉体内压降至20μbar; (3) 提供活性屏电流; (4) 炉内温度均匀一致达到300 ～ 600 ℃（对特殊合金，渗氮温度可设定高达800℃） ; (5) 由氮和中性气体组成的混合气通过喷口进入活性屏外围并产生高离子化的离子、电子和其它活性的、具有能量的中性气相粒子，对工件进行渗氮 ; (6) 活性屏产生的等离子体流动，使处理工件不断沉浸于活性气相粒子中在欧洲， 许多大的热处理厂都购置了活性屏离子渗氮设备，使用效果良好， 大大提高了经济效益在日本，这种活性屏渗氮炉的直径达到1000 mm ，高度为 1200 mm ，最大的处理加载量达到2000 kg( 含夹具 ) ，处理后可导入80 kPa 氮气进行强制冷却采用常用的离子渗氮气氛 ( 30% N2 + 70% H2)可获得 γ' + 扩散层基体组织; 增加 N2 量和甲烷可获得ε 相层 ; 还可通入丙烷、氢的硫化物、碳的氟化物等形成氮-碳化物、氧氮-碳化合物和硫-氮淬硬渗层。
目前这项新技术在我国尚属空白，需要急起直追 依靠辉光放电的离子渗氮技术自上世纪 70 年代以来已获得广泛应用，但离子渗氮过程中工件的打弧和空心阴极效应影响渗氮质量以致损坏处理工件表面，是必须予以克服的一个技术问题对离子渗氮机理的研究认为，N2 的中性原子态和震动的分子态是在辉光放电渗氮过程中主要的反应微粒，这意味着渗氮时没有必要将工件处于几百伏甚至上千伏的阴极电位由此提出活性屏渗氮技术的思路2.1 等离子体渗氮的原理等离子渗氮是将待处理零件放在真空炉体中，并充以133Pa—1330 Pa低气 压的含氮气体， 零件作为阴极， 真空炉体的炉壁作为阳极， 或者在炉体内另设金 属阳极当阴阳极之间加上数百伏直流电压时，两极间的稀薄气体被电离， 从而 产生辉光放电所谓 “辉光放电”是一种象氖光灯那样具有非常柔和和光感的“自 持放电”现象当辉光被点燃后， 工件表面布满了一层约数毫米的紫红色的辉 光由于真空炉体中的气体被电离，空气中存在着大量的电子和离子正电子向 作为阴极的零件运动， 电子则飞向阳极 在电子运动的过程中是真空炉体中的气 体分子持续不断地被激发和游离这样阴阳极间就有连续的电流通过，本来不导 电的气体这时变得象导体一样。
正离子在电场的加速作用下射向阴极，并在阴极 位降区多次和中性气体粒子碰撞， 使中性粒子具有与离子相近的能量到达零件表 面离子和高能中性气体粒子与阴极表面碰撞后，一部分动能使零件加热到需要 的渗氮温度 高能粒子向工件轰击时， 由于机械和蒸发的原因， 是零件表面某些 铁原子脱离基体飞溅出来，这就是所谓“阴极溅射”，被溅射出来的铁原子可能 在紧靠零件表面的区域内和那里活性很强的氮离子结合形成中性的氮化铁（FeN） 分子，因凝附作用又重新沉积到零件表面在渗氮温度下， 凝附着的 FeN不稳定 的，迅速分解为含氮较低Fe2N 、Fe3N和 Fe4N，各级氮化物并放出氮原子一部分 氮原子通过扩散进入零件表面形成氮化物，另一部分再次返回等离子区 在邻近 阴极区，氮化铁的形成以及其在阴极上的沉积是连续不断的这种反应阴极溅射 模式一般被认为是氮等离子区进入零件表面的主要迁移形式另外在含氮气氛 中，在辉光放电等离子轰击的作用下，也有活性（氮）原子存在，它们在邻近阴 极区时也可以直接吸附在零件表面被零件表面吸收，扩散 2.2 辉光放电原理简介 2.2.1 辉光放电的形式 气体放电时阴极阳极之间的电压降和电流的关系完全不能用欧姆定律 来表达，这时电流电压不是简单的线性关系，其伏安特性见图1。
气体本来是不 导电的，但是宇宙线的冲 击或者其它种种原因，使少量气 体分子以游离状态存在着当两 极间加上一定电压后，这些为数不多的正粒子向阴极运动，电子向阳极运 动，形成很弱的电流，大约在10-18—10-12安培范围内这种状态对应曲线的 AB 部分，称 黑暗放电区 随着电压逐渐升高，由于电子在向阳极运动的过程 中获得了较大的速度， 有了足够的动能使气体分子游离， 从而空间自由电子增多 新产生的电子和原有的电子继续受电场加速，产生更多的游离这样继续下去， 放电便巨浪般地增长起来， 电流随着电压升高而迅速增加，但此时电流 的绝对值还是很小（ 10-2—10-7）安培这相当于曲线的BC 段，叫 汤生放电区 黑暗放电区和汤生放电区都是依靠天然游离源的存在，不断产生离子、 电子才能维持下去 一旦外界游离源去除， 放电也随即停止 所以这两种放电称 为非自持放电 进一步增大电压达到曲线中的C 点时， 两极间的电压 骤然降低， 电流突然突然上升很多，放电空间产生发光现象，称为辉光，这时放电点由 C 点过渡到 D 点，进入正常辉光放电区，C 点的电压称为 点燃电压 在正常辉光 放电区， 两极间的电压维持一定， 它与流过两极的电流无关。
这时所看到的现象： 阴极表面有辉光的部分渐渐扩大，直至整个阴极表面都覆盖上辉光这个过程相 当于曲线的 DE 部分再增大两极间的电压，气体放电进入异常辉光放电区，也 就是等离子渗氮的工作区域，相当于曲线的EF部分 它的特点是：两极间流过 的电流随电压的升高而升高 如果电压超过 F 点，或者由于其它原因， 如大量电 子发射引起气体大量电离， 同时中和了正离子层， 真空炉体内两极间电压显著降 低，一般只有几十伏，而电流大大增加，同时电压随着电流的增大而降低此时 放电过渡到弧光放电区， 即曲线上 F 点以后的区域 一旦产生固定的电弧， 阴极 表面的辉光都会熄灭了， 在弧光放电焦点处与阳极间点起了一条明亮的电弧气 体在曲线的 C点被点燃后，将外界游离源除去，放电仍能继续下去所以自C 点以后的放电称为自持放电 2.2.2 辉光放电的特点 辉光放电的显著特征就是有一个比较大的特定的阴极位降，也就是阴极表 面附近区域有几百伏左右的电位变化这个电位分布是由辉光所持有的空间电荷 分布引起的 辉光放电的另一个特征是在放电气体中出现了明亮不同的区间，它 的特征外貌是放电的特征电位分布的结果 气体辉光放电可以分为八个明暗光区，它们是： a．紧靠阴极表面的极薄暗层。
称阿斯顿暗区 b．阴极辉区 c．阴极暗区 以上三个区域与阴极之间具有很大的电位降落，我们称它为辉光放电的阴 极位降这三个区域的宽度之合即所谓阴极位降区，用dk 表示 d．负辉区，具有明亮的辉光： 负辉区的辉光仅在靠阴极的一面与阴极暗区有明显的分界这一界面至阴 极的距离就是阴极位降区dk e．法拉第暗区，此区光度最弱： 上述五个放电部分被称为放电的阴极部分，所有为维持所需的过程集中在 前四个部分 当阳极移向负辉区时， 放电仍燃能维持， 负辉区在靠阴极一面的明 显分界面的位置保持不变，也即dk 值保持不变当阳极移到与此分界十分接近 的地方，辉光放电才终止 f ．阳极辉区 g．阳极暗区 不同发光区内的电荷分布情况各不相同在负辉区中大量正离子密集， 因 此该区域中具有较显著的正空间电荷而在阴极辉区与法拉第暗区中， 由于电子 密集，负空间电荷起主导作用在阳极光柱区域内，正负空间电荷互相抵消，总 得空间电荷为零ab c d e f g h - +阴 阳极 极光强度电场强度电荷+密度图 2 辉光放电的发光分布及各种特性a-阿斯顿暗区； b-阴极辉区； c-阴极暗区； d-负辉区； e-法拉第暗区； f-正拄区； g-阳极暗区； h-阳极辉区负辉区中正离子密集， 空间电位升高。
在负辉区以后的法拉第暗区中，电子 密集形成了负空间电荷，电位略有降低由于在阳极光柱区中存在着加速电场， 故在该区域中电位又略有上升 从图 2 的电位变化曲线上可以看出， 负辉区以后 的电位变化很弱，阴阳极间的压降基本上决定于负辉区和阴极暗区的分界面到阴 极之间的电位降落，即阴极位降 2.2.3 气体放电参数及相互间的关系 2.2.3.1点燃电压 点燃电压取决于气体压强、 阴阳极间距离、 气体种类和电极材料 对于 一定种类气体和电极材料来说， 点燃电压与气压和阴阳极间距离的乘积有关，即 Us=f(P×d) 此处Us—点燃电压 P—气体压强 d—阴阳极间距离 其函数关系由图 3 上的巴邢曲线所描述可见，在某一特定的pd 值时，对 应着点燃电压的最小值 以铁作为阴极时，下列气体的最低点燃电压和相应的pd 值示于下表Us气体点燃电压（伏）P×d （托毫米）图 3 巴邢曲线 表 气体最低点燃电压 Us（伏）P×d （托×毫米）O23433.11 空气2695.2H21989.0N22154.19 Ar131。