專利名稱：一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體基離子注入的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實現(xiàn)升溫注滲工藝的方法及裝置。
背景技術(shù)：
等離子體升溫注滲是為了克服普通等離子體基離子注入改性層較淺(＜0.1μm)的缺點而發(fā)展起來的一種新工藝技術(shù)。等離子體升溫注滲是在一定溫度下(一般在200～500℃)對工件進行等離子體基離子注入的方法。高能離子在注入工件時會使工件表層產(chǎn)生大量的缺陷，當工件溫度較低時，注入離子和缺陷的活動能力很差，這時改性層很淺；當工件的溫升達到一定值后，注入離子和缺陷的活動能力增加，注入離子向工件內(nèi)部擴散能力極大加強，使改性層厚度極大增加。等離子體升溫注滲技術(shù)有機地將離子注入和擴散相結(jié)合，可以在相對溫度較低地條件下和較短的時間內(nèi)獲得厚的表面改性層。
在離子注入過程中，高能離子注入樣品，最終留在工件內(nèi)，高能離子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件的溫度升高，這部分能量可以作為一個熱源。但是離子注入對工件的加熱能力隨工藝參數(shù)(注入電壓和電流密度)的變化而變化，僅僅依靠離子注入能量對工件加熱，會對升溫注滲工藝參數(shù)選擇產(chǎn)生很大的限制，如在低注入電壓和低注入電流時，離子注入熱效應(yīng)很小，無法實現(xiàn)較高溫度的注滲；而在高注入電壓和高注入電流的條件下，離子注入的熱效應(yīng)很強，可能使工件的溫度超過預(yù)定溫度。因此要實現(xiàn)靈活控制等離子體升溫注滲工藝，需要設(shè)計附加裝置，而附加的裝置是否合理是升溫注滲技術(shù)能否有效實現(xiàn)的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的注滲工藝過程中只依靠等離子體的注入對工件加熱而使注滲工藝參數(shù)難以選擇的問題，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的方法及其裝置。本發(fā)明的方法通過以下步驟來實現(xiàn)一、測算在選定離子注滲電壓和電流的面密度的條件下工件的溫升，注滲電壓的選擇范圍為5～50KV(千伏)，注滲電流的面密度為0.01～0.2mA/cm2(毫安每平方厘米)；二、依據(jù)第一步測算的工件的溫升選擇熱阻調(diào)節(jié)塊的材質(zhì)和形狀，用以保證水冷電極裝置在注滲的過程中能把工件的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下，注滲溫度的選擇范圍為200～500℃(攝氏度)；三、將工件呈水平放置，工件的一端固定在工作臺的內(nèi)端面上，并且將工件需要改性的一面面向真空室的等離子體輸入口；四、將輔助熱源的輻射面面向工件的另一端；五、在對工件進行常規(guī)注滲處理的過程中，用紅外測溫裝置實時監(jiān)測工件的溫度，當水冷電極裝置將工件的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下時，輔助熱源控制器根據(jù)紅外測溫裝置的反饋溫度信號調(diào)節(jié)輔助熱源的加熱功率，使工件的溫度上升到設(shè)定的注滲溫度。本發(fā)明的裝置包括真空室、射頻等離子發(fā)生器、高壓脈沖電源和工作臺，射頻等離子發(fā)生器的等離子體輸出端連接真空室的等離子體輸入口，它還包括紅外測溫裝置、輔助熱源控制器、輔助熱源、熱阻調(diào)節(jié)塊和水冷電極裝置，紅外測溫裝置的探測信號輸入端連接真空室的溫度測試口，紅外測溫裝置的信號輸出端連接輔助熱源控制器的信號輸入端，輔助熱源控制器的控制信號輸出端連接輔助熱源的控制信號輸入端，熱阻調(diào)節(jié)塊固定在工作臺和水冷電極裝置之間，輔助熱源、熱阻調(diào)節(jié)塊及工作臺處于真空室內(nèi)，水冷電極裝置的首端處于真空室內(nèi)，處于水冷電極裝置的末端固定在真空室的室壁上，并且水冷電極裝置的末端電極連接高壓脈沖電源的輸出端。
在方法的第一步測算時，利用能量守恒原理計算真空室內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換可得，Wrh-wcl＝σ×S×T4-IV，其中Wrh為輔助熱源的加熱功率、Wcl為熱阻調(diào)節(jié)塊及水冷電極裝置的傳導散熱功率、σ為斯忒芬常數(shù)、S為輔助熱源的輻射表面積、T為工件溫升、I為注滲的平均電流、V為注滲電壓，根據(jù)上述公式進行熱平衡計算，可以獲得注滲電壓和注滲溫度與工件溫升之間的對應(yīng)關(guān)系(如圖5所示)以及熱阻調(diào)節(jié)塊的熱阻與注滲電壓之間的關(guān)系曲線(如圖4所示)；由圖5可見，在不同的注滲參數(shù)下，隨著等離子體的注入，工件的溫度趨于不變，因此可以依據(jù)選定的注滲參數(shù)和圖5來估算工件的溫升；由圖4可見，熱阻調(diào)節(jié)塊的熱阻選擇范圍為0.55～47.6K/W(開每瓦)，依據(jù)注滲電壓即可選擇熱阻調(diào)節(jié)塊的熱阻并確定熱阻調(diào)節(jié)塊的尺寸大小，熱阻調(diào)節(jié)塊的材質(zhì)可以是銅、鋼、鋁及其合金等。根據(jù)熱平衡計算可以得到一個總的依據(jù)在高溫低注滲電壓時，需要輔助熱源提供的功率比離子注入的轟擊功率高，而在低溫高注滲電壓時則需要熱阻調(diào)節(jié)塊及水冷電極裝置有很強的熱傳導散熱能力。為了避免在選擇熱阻調(diào)節(jié)塊時的復雜計算，可以選擇導熱性能最好的材料，那么，通過調(diào)節(jié)輔助熱源也可以使工件的注滲過程維持在設(shè)定的注滲溫度。本發(fā)明通過調(diào)整輔助熱源的輸出功率和水冷熱阻可調(diào)電極(它由熱阻調(diào)節(jié)塊和水冷電極裝置構(gòu)成)的冷卻能力，結(jié)合離子注滲工藝參數(shù)實現(xiàn)工件溫度控制。
發(fā)明效果通過本發(fā)明可以對工件實現(xiàn)在200～500℃內(nèi)任意注滲溫度下的升溫注滲處理，使升溫注滲工藝的設(shè)計具有極大的靈活性和重復可控性。本發(fā)明的注滲處理后的工件，其耐磨性和耐腐蝕性提高為原來的十幾倍，可以用于各種在高速、高溫和重載條件下工作的精密傳動耐磨件，尤其是在極端條件下工作的航空航天精密零件以及各種難加工材料的切削刀具等。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中水冷電極裝置3的縱剖面示意圖；圖3為圖1中熱阻調(diào)節(jié)塊2的縱剖面示意圖；圖4為各種溫度下熱阻調(diào)節(jié)塊2的熱阻值與注滲電壓的關(guān)系曲線；圖5為等離子體注滲溫度與注入時間的關(guān)系曲線。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖1和圖2，本具體實施方式
的裝置由真空室10、射頻等離子發(fā)生器7、高壓脈沖電源9、工作臺11、紅外測溫裝置5、輔助熱源控制器6、輔助熱源4、熱阻調(diào)節(jié)塊2和水冷電極裝置3組成，射頻等離子發(fā)生器7的等離子體輸出端連接真空室10的等離子體輸入口，紅外測溫裝置5的探測信號輸入端連接真空室10的溫度測試口，紅外測溫裝置5的信號輸出端連接輔助熱源控制器6的信號輸入端，輔助熱源控制器6的控制信號輸出端連接輔助熱源4的控制信號輸入端，熱阻調(diào)節(jié)塊2固定在工作臺11和水冷電極裝置3之間，輔助熱源4、熱阻調(diào)節(jié)塊2及工作臺11處于真空室10內(nèi)，水冷電極裝置3的首端處于真空室10內(nèi)，水冷電極裝置3的末端固定在真空室10的室壁上，并且水冷電極裝置3的末端電極3-2-1連接高壓脈沖電源9的輸出端。
具體實施方式
二參見圖1和圖2，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點為所述水冷電極裝置3由絕緣密封套3-1、金屬筒3-2、絕緣活塞3-3、進水管3-4和出水管3-5組成，絕緣活塞3-3上設(shè)有兩個通孔，進水管3-4和出水管3-5的一端分別通過所述絕緣活塞3-3上的兩個通孔插入到金屬筒3-2內(nèi)，金屬筒3-2的一端密封，金屬筒3-2的另一端與絕緣活塞3-3的側(cè)表面密封連接，金屬筒3-2的側(cè)表面和絕緣活塞3-3的外端面包裹有絕緣密封套3-1，金屬筒3-2的另一端設(shè)有末端電極3-2-1且末端電極3-2-1裸露在絕緣密封套3-1的外側(cè)并與高壓脈沖電源9的輸出端相連，進水管3-4和出水管3-5的另一端也裸露在絕緣密封套3-1的外側(cè)，熱阻調(diào)節(jié)塊2固定在工作臺11的外端面和金屬筒3-2的密封端面之間。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。水從進水管3-4進入到金屬筒3-2中用以吸收熱阻調(diào)節(jié)塊2通過工作臺11傳遞的工件1的熱能。
具體實施方式
三參見圖2和圖3，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點為所述熱阻調(diào)節(jié)塊2為中空的圓筒，所述圓筒的右端面開有一個第一通孔2-1，所述圓筒的左端面開有一個第二通孔2-2，所述熱阻調(diào)節(jié)塊2的長度L為30～100毫米，所述熱阻調(diào)節(jié)塊2的圓筒內(nèi)徑D為15～34毫米。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。通過改變熱阻調(diào)節(jié)塊2的尺寸可以調(diào)節(jié)它的熱傳導性能。
具體實施方式
四參見圖1和圖2，本具體實施方式
與具體實施方式
三的不同點為它還包括連接螺桿12，工作臺11的外端面中心開有一個螺紋孔，所述工作臺11的外端面的螺紋孔與連接螺桿12的一端固定連接，水冷電極裝置3的金屬筒3-2的密封端面設(shè)有一個凹孔3-2-2且所述凹孔3-2-2內(nèi)設(shè)有內(nèi)螺紋，連接螺桿12的另一端通過熱阻調(diào)節(jié)塊2的第一通孔2-1和第二通孔2-2與金屬筒3-2的凹孔3-2-2固定連接。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
三相同。通過螺桿連接使裝置易于安裝與拆卸。
具體實施方式
五參見圖1和圖2，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點為它還包括支撐桿8，輔助熱源4固定在支撐桿8的上端，并且輔助熱源4的輻射面面向工件1。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六參見圖1和圖2，本具體實施方式
與具體實施方式
二的不同點為所述絕緣密封套3-1的外表面設(shè)有法蘭3-1-1，法蘭3-1-1與真空室10的室壁固定連接。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
七參見圖1，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點為所述輔助熱源4是帶反射裝置的低壓高功率碘鎢燈。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。所述輔助熱源4的輸出功率為0～1800W；可以用相互并聯(lián)的6個100W/25V碘鎢燈來實現(xiàn)。
具體實施方式
八參見圖1，本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點為所述熱阻調(diào)節(jié)塊2的材質(zhì)可以是銅、鋼、鋁以及它們的合金等具有導熱性能的材料。其他組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九參見圖1，采用具體實施方式
一的裝置，本具體實施方式
的方法按以下步驟進行一、測算在選定離子注滲電壓和電流的面密度的條件下工件1的溫升，注滲電壓的選擇范圍為5～50KV，注滲電流的面密度為0.01～0.2mA/cm2；二、依據(jù)第一步測算的工件1的溫升選擇熱阻調(diào)節(jié)塊2的材質(zhì)和形狀，用以保證水冷電極裝置3在注滲的過程中能把工件1的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下，注滲溫度的選擇范圍為200～500℃；三、將工件1呈水平放置，工件1的一端固定在工作臺11的內(nèi)端面上，并且將工件1需要改性的一面面向真空室10的等離子體輸入口；四、將輔助熱源4的輻射面面向工件1的另一端；五、在對工件1進行常規(guī)注滲處理的過程中，用紅外測溫裝置5實時監(jiān)測工件1的溫度，當水冷電極裝置3將工件1的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下時，輔助熱源控制器6根據(jù)紅外測溫裝置5的反饋溫度信號調(diào)節(jié)輔助熱源4的加熱功率，使工件1的溫度上升到設(shè)定的注滲溫度。所述熱阻調(diào)節(jié)塊2的熱阻選擇范圍為0.55～47.6K/W。
具體實施方式
十本具體實施方式
與具體實施方式
九的不同點是對純鐵工件進行注滲處理，經(jīng)過4小時處理后，工件改性層的厚度可達300μm，且改性層的耐磨性提高為原來的2倍，工藝參數(shù)的選擇如下表所示

具體實施方式
十一本具體實施方式
與具體實施方式
九的不同點是對不銹鋼工件進行注滲處理，注滲溫度為200～300℃，注滲電流的面密度為0.1mA/cm2，注滲電壓為25KV，經(jīng)過4小時處理后，工件改性層的厚度可達9μm，表面納米硬度由3GPa(吉帕)提高到18GPa，且干摩擦條件下，工件改性層的耐磨性提高了20倍、耐腐蝕性提高了6倍。其他步驟與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
十二本具體實施方式
與具體實施方式
十一的不同點是對M50鋼工件進行注滲處理，經(jīng)過4小時處理后，工件改性層的厚度超過20μm，表面納米硬度由8GPa提高到16GPa，且工件改性層的耐磨性提高了5倍。其他步驟與具體實施方式
十一相同。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的方法，其特征在于它按以下步驟進行一、測算在選定離子注滲電壓和電流的面密度的條件下工件(1)的溫升，注滲電壓的選擇范圍為5～50KV，注滲電流的面密度為0.01～0.2mA/cm2；二、依據(jù)第一步測算的工件(1)的溫升選擇熱阻調(diào)節(jié)塊(2)的材質(zhì)和形狀，用以保證水冷電極裝置(3)在注滲的過程中能把工件(1)的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下，注滲溫度的選擇范圍為200～500℃；三、將工件(1)呈水平放置，工件(1)的一端固定在工作臺(11)的內(nèi)端面上，并且將工件(1)需要改性的一面面向真空室(10)的等離子體輸入口；四、將輔助熱源(4)的輻射面面向工件(1)的另一端；五、在對工件(1)進行常規(guī)注滲處理的過程中，用紅外測溫裝置(5)實時監(jiān)測工件(1)的溫度，當水冷電極裝置(3)將工件(1)的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下時，輔助熱源控制器(6)根據(jù)紅外測溫裝置(5)的反饋溫度信號調(diào)節(jié)輔助熱源(4)的加熱功率，使工件(1)的溫度上升到設(shè)定的注滲溫度。
2.一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，包括真空室(10)、射頻等離子發(fā)生器(7)、高壓脈沖電源(9)和工作臺(11)，射頻等離子發(fā)生器(7)的等離子體輸出端連接真空室(10)的等離子體輸入口，其特征在于它還包括紅外測溫裝置(5)、輔助熱源控制器(6)、輔助熱源(4)、熱阻調(diào)節(jié)塊(2)和水冷電極裝置(3)，紅外測溫裝置(5)的探測信號輸入端連接真空室(10)的溫度測試口，紅外測溫裝置(5)的信號輸出端連接輔助熱源控制器(6)的信號輸入端，輔助熱源控制器(6)的控制信號輸出端連接輔助熱源(4)的控制信號輸入端，熱阻調(diào)節(jié)塊(2)固定在工作臺(11)和水冷電極裝置(3)之間，輔助熱源(4)、熱阻調(diào)節(jié)塊(2)及工作臺(11)處于真空室(10)內(nèi)，水冷電極裝置(3)的首端處于真空室(10)內(nèi)，水冷電極裝置(3)的末端固定在真空室(10)的室壁上，并且水冷電極裝置(3)的末端電極(3-2-1)連接高壓脈沖電源(9)的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于所述水冷電極裝置(3)由絕緣密封套(3-1)、金屬筒(3-2)、絕緣活塞(3-3)、進水管(3-4)和出水管(3-5)組成，絕緣活塞(3-3)上設(shè)有兩個通孔，進水管(3-4)和出水管(3-5)的一端分別通過所述絕緣活塞(3-3)上的兩個通孔插入到金屬筒(3-2、)內(nèi)，金屬筒(3-2)的一端密封，金屬筒(3-2)的另一端與絕緣活塞(3-3)的側(cè)表面密封連接，金屬筒(3-2)的側(cè)表面和絕緣活塞(3-3)的外端面包裹有絕緣密封套(3-1)，金屬筒(3-2)的另一端設(shè)有末端電極(3-2-1)且末端電極(3-2-1)裸露在絕緣密封套(3-1)的外側(cè)并與高壓脈沖電源(9)的輸出端相連，進水管(3-4)和出水管(3-5)的另一端也裸露在絕緣密封套(3-1)的外側(cè)，熱阻調(diào)節(jié)塊(2、)固定在工作臺(11)的外端面和金屬筒(3-2)的密封端面之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于所述熱阻調(diào)節(jié)塊(2)為中空的圓筒，所述圓筒的右端面開有一個第一通孔(2-1)，所述圓筒的左端面開有一個第二通孔(2-2)，所述熱阻調(diào)節(jié)塊(2)的長度(L)為30～100毫米，所述熱阻調(diào)節(jié)塊(2)的圓筒內(nèi)徑(D)為15～34毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于它還包括支撐桿(8)，輔助熱源(4)固定在支撐桿(8)的上端，并且輔助熱源(4)的輻射面面向工件(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于所述輔助熱源(4)是帶反射裝置的碘鎢燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于所述熱阻調(diào)節(jié)塊(2)的材質(zhì)是銅、鋼、鋁以及它們的合金中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于它還包括連接螺桿(12)，工作臺(11)的外端面中心開有一個螺紋孔，所述工作臺(11)的外端面的螺紋孔與連接螺桿(12)的一端固定連接，水冷電極裝置(3)的金屬筒(3-2)的密封端面設(shè)有一個凹孔(3-2-2)且所述凹孔(3-2-2)內(nèi)設(shè)有內(nèi)螺紋，連接螺桿(12)的另一端通過熱阻調(diào)節(jié)塊(2)的第一通孔(2-1)和第二通孔(2-2)與金屬筒(3-2)的凹孔(3-2-2)固定連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的裝置，其特征在于所述絕緣密封套(3-1)的外表面設(shè)有法蘭(3-1-1)，法蘭(3-1-1)與真空室(10)的室壁固定連接。
全文摘要
一種實現(xiàn)等離子體升溫注滲的方法及其裝置，它屬于等離子體基離子注入的技術(shù)領(lǐng)域，它是為了解決現(xiàn)有的注滲工藝過程中只依靠等離子體的注入對工件加熱而使注滲工藝參數(shù)難以選擇的問題。本發(fā)明的紅外測溫裝置5的信號輸入端連接真空室10的溫度測試口，5的輸出端連接輔助熱源控制器6的輸入端，6的輸出端連接輔助熱源4的輸入端，熱阻調(diào)節(jié)塊2固定在工作臺11和水冷電極裝置3之間；其方法是通過2和3將工件1的溫度冷卻到設(shè)定的注滲溫度以下，然后通過5反饋的工件溫度來控制6調(diào)節(jié)4的輸出功率，利用4使工件處于設(shè)定的注滲溫度下。通過本發(fā)明可以對工件實現(xiàn)在200～500℃內(nèi)任意注滲溫度下的升溫注滲處理，使升溫注滲工藝的設(shè)計具有極大的靈活性和重復可控性。
文檔編號C23C14/48GK1752274SQ200510010489
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者孫躍, 徐淑艷, 馬欣新, 唐光澤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學