專利名稱：金屬低溫滲入的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面冶金技術(shù)，尤其是涉及在金屬基體表面低溫下滲入金屬離子的裝置。
滲金屬是指在基體金屬表面滲入另一種或幾種合金元素，而使基體金屬表面形成一種具有特殊表面性能的過(guò)程。金屬材料表面合金化又稱表面合金滲鍍、滲擴(kuò)等。表面合金化不包括金屬材料形成合金化層后的淬火，回火等工藝。鋼鐵材料常用的表面合金化元素是Mo、W、Ni、Cr、Al、Be、Si、Mn、Co、Ta、Zr、Zn、Nb、C、N、B、O、S等。一般來(lái)講滲鍍主要是指金屬元素。也就是我們所說(shuō)的滲金屬。它的特點(diǎn)是滲層的形成依靠加熱擴(kuò)散的作用，所得滲層與基體金屬之間是靠形成合金來(lái)結(jié)合的(即所謂冶金結(jié)合)，因而結(jié)合非常牢固，因而滲鍍層不易脫落，這就是其它方法所不及的突出優(yōu)點(diǎn)。
依滲入元素之不同，可以在同一種材料的表面獲得不同的組織和性能，還可使材料表面具有抗高溫氧化、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良性能。滲鍍方法很多，以與工件相接觸的介質(zhì)來(lái)分，有固滲、液滲、氣滲和離子滲。離子滲金屬的突出的優(yōu)點(diǎn)就是非常合理的利用電能。電能主要用于源金屬的離子化，并將工件加熱到必要溫度，這種方法是綜合強(qiáng)化法，因?yàn)樗箶U(kuò)滲各個(gè)過(guò)程都得以強(qiáng)化。
離子滲金屬的主要優(yōu)點(diǎn)(1)滲速快由于陰極濺射效應(yīng)為滲劑原子和離子的吸附與滲入創(chuàng)造了一個(gè)高度活化的表面，又由于高能粒子的轟擊，使金屬表面出現(xiàn)高密度位錯(cuò)區(qū)，導(dǎo)致滲劑原子既沿晶界也向晶內(nèi)擴(kuò)散，特別是沿位錯(cuò)擴(kuò)散，故大大地有助于滲入物質(zhì)擴(kuò)散，由于等離子可以向工件表面提供和維持滲劑元素的很高的表面濃度及其梯度，因而有比其它滲擴(kuò)法快的滲速。
(2)不需去鈍處理很適用于不銹鋼表面強(qiáng)化。陰極濺射效應(yīng)可有效到去除氧化，保持表面凈化，故滲前不需要任何去鈍處理，且工件又是在殘留極少氧氣的真空中進(jìn)行，沒(méi)有再生新氧化膜機(jī)會(huì)，故很適用于不銹鋼和不銹熱耐鋼等高合金奧氏體鋼的表面強(qiáng)化。
(3)能耗小、成本低因不需要外加熱源，能耗與工件數(shù)量成正比，且處理時(shí)間短，故在一定條件下，比其它外加熱源的滲擴(kuò)工藝耗能合理而較少。
(4)易實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程及滲層的計(jì)算機(jī)控制。
近十多年來(lái)離子滲金屬技術(shù)有較大的發(fā)展。徐重等(徐重，王從曾，蘇永安，唐賓，中國(guó)專利，87104358．0)發(fā)明了雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，它是在真空容器內(nèi)設(shè)置陽(yáng)極、陰極(工件)以及由欲滲合金元素組成的源極。陽(yáng)極和陰極之間以及陽(yáng)極和源極之間各設(shè)一個(gè)可調(diào)壓直流電源。當(dāng)真空室內(nèi)氬氣壓達(dá)到一定值后，調(diào)節(jié)上述電源，則在陽(yáng)極和陰極以及陽(yáng)極和源極之間出現(xiàn)輝光放電。輝光放電使源極的欲滲元素在離子轟擊下被濺射出來(lái)，高速飛向陰極(工件)表面，同時(shí)輝光放電使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁构ぜ訜嶂粮邷亍Ｓ稍礃O濺射出來(lái)的粒子被處于高溫的工件表面吸附，借助于擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)入工件表面，從而形成欲滲元素的合金層王福貞(王福貞，中國(guó)專利，CN 88 1000549．5)將多弧離子鍍技術(shù)發(fā)展為多弧離子滲金屬技術(shù)，首先提高工件負(fù)偏壓，利用陰極電弧獲得高能量和高密度金屬離子流，二者將工件轟擊加熱至滲金屬溫度，實(shí)現(xiàn)了離子滲金屬；潘俊德等(潘俊德，范本惠，李成明，賀琦，鄭維能，徐重，金屬學(xué)報(bào)，1993，9B424)發(fā)展了前兩項(xiàng)技術(shù)提出了加弧輝光離子滲金屬技術(shù)，是在雙層輝光離子滲金屬裝置中引入冷陰極電弧源，選用欲滲元素的固態(tài)純金屬或合金成份材料，制成陰極電弧源靶和輝光放電輔助源極濺射源，合金元素的含量可以在零至百分九十以上的范圍內(nèi)變動(dòng)，滲層厚度也可由幾微米至數(shù)百微米。這些方法的共同特點(diǎn)是工具件的溫度均在1000℃左右，一方面易于引起工件的變形，另一方面需要對(duì)零件進(jìn)行后續(xù)熱處理。高溫處理所引起的變形和需后續(xù)熱處理是這些方法的共同的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)在滲金屬時(shí)，工件一定要被加熱到1000℃左右溫度，而易于引起工件的變形和浪費(fèi)能源的缺點(diǎn)，以及克服該方法還有一對(duì)滲入過(guò)的工件必須進(jìn)行后續(xù)熱處理工序的麻煩，從而提供一種在金屬元素低能離子在中溫階段600℃以下的注入和滲入，并可在工件表面形成金屬的鍍層，因而可實(shí)現(xiàn)金屬的注、滲和鍍的有機(jī)結(jié)合，節(jié)約能源和成本的金屬低溫滲入的裝置。
本發(fā)明的目的是這樣完成的本發(fā)明的提供在金屬基體表面上滲入金屬的裝置，包括氣體通入和氣體控制部分、真空系統(tǒng)與真空室相通、電弧蒸發(fā)源靶與觸發(fā)引弧結(jié)構(gòu)相連接均安置在真空室內(nèi)上部；真空室內(nèi)下部設(shè)有一放置工件的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架，直流電源的陰極與靶相連接，陽(yáng)極與真空腔連接接地；其特征在于還包括一高壓直流脈沖電源，高壓直流脈沖電源串接工件和真空腔，直流脈沖電源的陰極與工件相連接；其中真空室壁上安裝至少一個(gè)欲滲材料的電弧蒸發(fā)源靶；電弧蒸發(fā)源靶前設(shè)置一可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板；可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板安置在它的前端，阻擋原子集團(tuán)飛向工件，其結(jié)構(gòu)還可以象照相機(jī)的快門一樣，調(diào)節(jié)孔徑的大??；其中電弧蒸發(fā)源靶的材料可以是鈦、鉻、鋯、鎳、鈮、鎢、鉬、鉭、釩、銅、鋁和鉿等各種金屬的單質(zhì)或合金，各種靶材可在真空室中單一或混合布置，直流電源提供電弧陰極的電流在0-300A可調(diào)；脈沖偏壓電源電壓在0-3000V可調(diào)，占空比在0-100％范圍內(nèi)連續(xù)可變；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)金屬元素的低溫滲入，其特點(diǎn)是利用陰極電弧發(fā)射出的高離化率、高能量的金屬離子，在幾千伏脈沖電壓的加速作用下，使金屬離子的能量達(dá)到千電子伏特的能量級(jí)，輝光放電和多弧陰極發(fā)射離子轟擊的共同作用使工件加熱到600℃以下，實(shí)現(xiàn)金屬元素的低溫滲入和注入的有效結(jié)合。在降低直流脈沖電壓后可在工件表面形成金屬鍍層，因而可實(shí)現(xiàn)金屬的注、滲和鍍的有機(jī)結(jié)合。當(dāng)啟動(dòng)前級(jí)擴(kuò)散泵組成的真空系統(tǒng)使真空室達(dá)到一定的真空極限；通過(guò)氣體控制系統(tǒng)向真空室中通入惰性氣體氬氣，真空室氣壓在1×10-2Pa-10Pa之間；通過(guò)直流脈沖電源對(duì)工件施加脈沖電壓，使工件達(dá)到所需滲金屬的溫度，工件溫度不高于600℃；開啟電弧陰極電源，引燃電弧，陰極電弧斑點(diǎn)發(fā)射出金屬離子、原子和原子團(tuán)，在脈沖電壓的作用下，原子團(tuán)和原子進(jìn)一步分解離化，離子加速獲得千伏級(jí)的能量向工件表面運(yùn)動(dòng)，高能量的金屬離子注入工件表面，并進(jìn)一步擴(kuò)散形成合金滲層。降低工件脈沖電壓為幾百伏時(shí)，可在工件表形成金屬鍍層。因而可獲得金屬的滲鍍結(jié)合層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)由于本發(fā)明提供的裝置中有一高壓直流脈沖電源串接在工件和真空腔之間；并在電弧陰極前端有一可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板；因此電弧陰極發(fā)射出靶金屬60％以上被電離，而原子集團(tuán)主要飛向與靶成30°的側(cè)面，在陰極電弧前端側(cè)沿30°部位加屏蔽隔離，阻擋了金屬大顆粒飛向基板。同時(shí)高脈沖電壓在放電空間使電子、離子產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩作用，使原子團(tuán)進(jìn)一步分解離化，基板所加千伏級(jí)脈沖高壓加速金屬離子，使金屬離子的能量達(dá)到Kev數(shù)量級(jí)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)靶與工件的距離控制溫度在工件回火溫度以下，實(shí)現(xiàn)金屬離子的低能注入和低溫滲入。避免了高溫滲金屬的變形，免去金屬高溫滲入的后續(xù)處理工藝，節(jié)省能量，節(jié)約成本。
本發(fā)明提供的金屬低溫滲入的方法依下列工藝進(jìn)行1、根據(jù)工件尺寸調(diào)節(jié)電弧前端的擋板的孔徑的大??；2、啟動(dòng)真空系統(tǒng)使真空室達(dá)到極限真空度在1×10-3Pa--×10-3Pa后；3、通入氣體控制系統(tǒng)向真空室充入氬氣，達(dá)到0．5Pa；4、高壓脈沖電源向工件施加脈沖偏壓1500V，使工件產(chǎn)生輝光放電，對(duì)工件進(jìn)行離子轟擊清洗；5、通過(guò)電源3對(duì)鈦靶蒸發(fā)源5施加弧流70A，用觸發(fā)引弧裝置引燃電弧陰極的電弧；6、根據(jù)工件與電弧陰極靶距離及氣壓，調(diào)節(jié)高壓直流脈沖電源功率，保持溫度在600℃左右的中溫范圍，時(shí)間為根據(jù)所需滲入厚度決定；7、保持一定時(shí)間達(dá)到所需滲入厚度；通過(guò)降低溫度及工件所加直流脈沖電壓可在工件表面形成金屬的鍍層；8、依次關(guān)閉電弧電源和高壓直流脈沖電源及充入氣，降溫冷卻出爐。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的組成示意圖實(shí)施例1按圖1制作一臺(tái)金屬低溫滲入的裝置，在圖中1-工件；2-支架轉(zhuǎn)動(dòng)裝置；3-直流電源4-脈沖直流電源；5-電弧蒸發(fā)源靶；6-觸發(fā)引弧結(jié)構(gòu)；7-氣體通入及控制部分；
8-真空系統(tǒng)； 9-擋板；10-真空室；11-支架；在可容納工件的真空室(10)中的側(cè)壁上密封安裝通入氣體和氣體控制部分(7)，通入氣體和氣體控制部分(7)采用通常真空設(shè)備中所用的結(jié)構(gòu)；真空室10接地為陽(yáng)極；真空室10上部的內(nèi)壁上安裝一個(gè)鈦材料的電弧蒸發(fā)源靶5；直流脈沖電源3的陰極與電弧蒸發(fā)源靶5相連接，陽(yáng)極與真空腔連接接地；電弧蒸發(fā)源靶前設(shè)置一可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板9，擋板與靶面成30度角；6為觸發(fā)引弧結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為通常結(jié)構(gòu)；直流電源4向工件1提供直流脈沖電流；工件1放置在具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架11上；支架11由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2帶動(dòng)，通常的真空系統(tǒng)8與真空室(10)密封連通。
實(shí)施例2應(yīng)用本實(shí)施例1的裝置在20號(hào)低碳鋼基板進(jìn)行滲入鈦層的方法。利用圖1中的真空系統(tǒng)8使真空室達(dá)到極限真空度10-3Pa，通過(guò)氣體控制系統(tǒng)7充入氬氣到0．5Pa，在20號(hào)低碳鋼基板1上加脈沖偏壓1500V，占空比60％，進(jìn)行離子轟擊，通過(guò)電源3對(duì)鈦靶蒸發(fā)源5施加弧流70A，并利用6引發(fā)電弧，保持溫度在600℃，時(shí)間為1小時(shí)，在此條件下，可獲得近2μm厚的鈦滲層，表面的鈦濃度為8％。
權(quán)利要求
1.一種金屬低溫滲入的裝置，包括氣體通入和氣體控制部分、真空系統(tǒng)與真空室相通、電弧蒸發(fā)源靶與觸發(fā)引弧結(jié)構(gòu)均安置在真空室內(nèi)上部；真空室內(nèi)下部設(shè)有一放置工件的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架，直流電源的陰極與靶相連接，陽(yáng)極與真空腔連接接地；其特征在于還包括一高壓直流脈沖電源，高壓直流脈沖電源串接工件和真空腔之間；可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板安置在它電弧蒸發(fā)源的前端。
2.按權(quán)利要求1所述的金屬低溫滲入的裝置，其特征在于所述的電弧蒸發(fā)源靶在真空室壁上安裝至少一個(gè)欲滲材料的電弧蒸發(fā)源靶。
3.按權(quán)利要求1、2所述的金屬低溫滲入的裝置，其特征在于所述的電弧蒸發(fā)源靶前設(shè)置一可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板，擋板的位置與電弧蒸發(fā)源靶面成為30°。
4.按權(quán)利要求1、2所述的金屬低溫滲入的裝置，其特征在于所述的電弧蒸發(fā)源靶前設(shè)置一可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板，擋板的結(jié)構(gòu)為照相機(jī)的快門結(jié)構(gòu)。
5.按權(quán)利要求1、2所述的金屬低溫滲入的裝置，其特征在于所述的電弧蒸發(fā)源靶材料包括鈦、鉻、鋯、鎳、鈮、鎢、鉬、鉭、釩、銅、鋁和鉿各種金屬的單質(zhì)或合金，各種靶材可在真空室中單一或混合布置。
6.一種使用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行金屬低溫滲入的方法，其特征在于依下列步驟進(jìn)行(1)根據(jù)工件尺寸調(diào)節(jié)好電弧前端的擋板的孔徑的大??；(2)啟動(dòng)真空系統(tǒng)使真空室達(dá)到極限真空度在1×10-3Pa-×10-3Pa后；(3)通入氣體控制系統(tǒng)向真空室充入氬氣，達(dá)到0．1Pa-10Pa；(4)高壓脈沖電源向工件施加脈沖偏壓0-1200V，使工件產(chǎn)生輝光放電，對(duì)工件進(jìn)行離子轟擊清洗；(5)通過(guò)電源對(duì)鈦靶蒸發(fā)源施加弧流0-200A可調(diào)，用觸發(fā)引弧裝置引燃電弧陰極的電??；(6)根據(jù)工件與電弧陰極靶距離及氣壓，調(diào)節(jié)高壓直流脈沖電源功率，保持在溫度至600℃的中溫范圍，時(shí)間為根據(jù)所需滲入厚度決定；(7)保持一定時(shí)間達(dá)到所需滲入厚度；通過(guò)降低溫度及工件所加直流脈沖電壓可在工件表面形成金屬的鍍層；(8)依次關(guān)閉電弧電源和高壓直流脈沖電源及充入氣，降溫冷卻出爐。
7.按權(quán)利要求6所述的金屬低溫滲入的方法，其特征在于所述的直流電源提供電弧陰極的電流在0-200A可調(diào)；脈沖偏壓電源電壓在0-3000V可調(diào)，占空比在0-100％范圍內(nèi)連續(xù)可變。
全文摘要
本發(fā)明涉及在金屬基體表面低溫下滲入金屬離子的裝置,它包括氣體通入和氣體控制部分、真空系統(tǒng)與真空室相通、電弧蒸發(fā)源靶、觸發(fā)引弧結(jié)構(gòu)均安置在真空室內(nèi)上部;真空室內(nèi)下部設(shè)有一放置工件的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架,直流電源的陰極與靶相連接,陽(yáng)極與真空腔連接接地;其特征在于:還包括一高壓直流脈沖電源,高壓真流脈沖電源連接在工件陰極和真空腔之間,可調(diào)節(jié)孔徑大小的擋板安置在電弧蒸發(fā)源的前端。
文檔編號(hào)C23C14/38GK1281058SQ9912164
公開日2001年1月24日 申請(qǐng)日期1999年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月11日
發(fā)明者李成明, 張勇, 曹爾妍, 薛明倫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所