CN1013689B - 金属材料表面形成合金层的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种通过金属化合物的加热气化而在金属材料表面形成金属层的方法及设备，被渗金属材料放置在真空反应室中的阴极盘上，同时在真空反应室中或之外还放有金属化合物蒸发器，蒸发器由低压电源来加热。金属化合物在真空情况下通过加热而气化，气化金属化合物在阴极和阳极之间所加的直流高压电场作用之下电离并进行辉光放电，在辉光放电下正离子金属轰击位于阴极盘上的金属材料，使其表面形成合金层。

Description

本发明涉及一种在金属材料表面形成合金层的方法及设备，特别是涉及一种通过金属化合物加热气化而在金属材料表面形成合金层的方法及设备。

金属零件表面形成金属化合物层方法（又称渗金属）近年来得到新发展，这是因为，例如，钛金属化合物表面层使金属零件具有高表面硬度，良好的耐磨性和抗腐蚀性。而渗铝则可以提高钢铁，镍基、钼基、铌基等高温合金的抗氧化性，还能提高在含硫介质中的耐蚀性在金属零件表面形成金属化合物方法近年来出现不少，化学蒸镀法（PVD法）就是其中之一，这种方法虽然有少许渗金属作用，但最主要还是在金属零件表面形成沉积层而不是渗层，所以不是同一范畴的问题，故不在这里细述。1978年，苏联用四氯化钛等气化方法并在1000℃温度下保温，从而在铁及低碳钢表面获得了钛扩散层（N.A.KU/Yba，A.T.Reva    Steel    USSR    Mar    1978，8（3）170～171）。1979年波兰采用辉光放电法获得钛扩散层（T.Karpincki，T.Wierzchon，J.Bogacki，《国际化学热处理》2〔1950〕，90页），该方法曾在1983年在上海举行的第三届国际金属材料及热处理大会上做过介绍，（见第三届国际金属材料 及热处理大会论文集）。上述方法缺点是：所采用的气化金属化合物气乃是混合气;在金属表面形成的主要还不是钛合金层而是碳化钛层。至于渗铝则已大量在工业上应用，钢铁企业主要采用热浸法，铝液温度为680℃～760℃，而机械工业大都采用固体粉末法，渗铝剂为铝铁合金加氯化铵与氯化铝粉，渗铝温度为900℃-1000℃，这些都是众所周知的了。目前又发展有改进的固体法（红卫机械厂，《热处理经验汇编》六机部601研究所，1976年8月，220页），以及气相渗铝法（G.V.SamSonov，etc《Met    Sci    Heat    Treat》Mar-Apr，1978，20（3-4）338-340）。上述渗铝方法缺点是：渗铝温度偏高（＞700℃）;金属零件表面形成的是含铝高的复杂化合物，组织乃是混合物;该法主要适用于钢铁零件的渗铝。

近二、三年又提出一种低温气体放电渗金属法（见华北地区第四届热处理技术经验交流会论文，《低温气体放电渗硫、钛、铝》1982、7，）该法是利用金属化合物加热直接气化来进行渗金属，金属化合物加热气化，然后化合物气体在电场作用下电离，从而对工件表面进行渗金属，这种方法虽然比前述各方法有所发展，获得比较满意的效果，但也存在一些不足之处，主要的是该法为无光放电法，也就是说，化合物气体是在电压不高电流很小的电场作用下进行电离的。

本发明的方法是上述气体放电法的改进与发展，本发明的目的之一就是提供一种通过金属化合物加热直接气化而对金属材料及工件进行渗金属的方法，该法克服上述各法的缺点，而其渗金属质量却大大 优于上述各法，温度低几百度，渗层成分单一均匀，渗层深度深。本发明另一个目的是提供一种为实现本发明方法的渗金属设备。

气体渗金属法的关键在于要生成一种金属化合物的气体。本法采取金属化合物直接加热生成气体。金属化合物一般在大气压下为固体或液体，沸点较低，在低气压下，其沸点大为降低，尤其是金属卤化物。因此，将金属化合物置于真空炉中时，在低压下（1.33Pa）左右加热气化，然后施加高压直流电场，使金属卤化物气体电离，带正电的金属离子被高速加热轰击阴极，于是置于阴极盘上的金属材料或工件便实现了渗金属。本发明方法的特征在于，金属化合物气体在较高电压电场作用下进行辉光放电，此时电场电压为300-1500伏，由于进行辉光放电，所以渗金属速度加快，金属渗层加深。另外由于进行辉光放电，因而依赖离子轰击作用，就可以加热金属材料或工件，使其温度上升，一般可以通过调节电场电压来调节工件的加热温度，而不象无光放电那样，只能通过惰性气体来加热。再者，由于采用辉光放电，金属化合物可以放在真空炉中其他地方通过外加低压电源的加热作用来气化，甚至还可以放在真空炉外来实施加热气化。

现结合附图，通过实施例对本发明作更详细的说明。

图1为气体渗金属方法所用设备之示意图。

实施例1。在金属材料上形成表面铝合金层。将被渗材料（3）放在真空炉内反应室（1）中的阴极盘（4）上，被渗材料为GH220镍基合金，材料（3）的温度通过热电偶（5）和测温表（15）来测定和控制。金属卤化物Alcl₃置于蒸发器（7）中，蒸发器（7）的温度通过热电偶（8）和测温表（9）来测定和 控制，蒸发器（7）的加热由低压电源（10）提供的能量来实现。图中蒸发器位于反应室（1）之外，但位于反应室（1）中也是可行的。

气体渗金属步骤如下：开动真空泵（20），反应室（1）被抽真空，同时接通低压电源（10）使蒸发器温度上升，当真空度达1.33Pa左右时，往反应室（1）中通入惰性气体，例如Ar、N₂等，使反应室中真空度达13.3Pa左右。此时接通加在反应室（1）中阴极（4）和阳极（2）上的高压电源（16）（0-1500伏）将电压控制在500-600伏，于是反应室中打弧逐步停止而进行辉光放电。在辉光放电时将加热蒸发的Alcl₃气体通入反应室（1）中，继续抽真空，用Alcl₃替换惰性气体，并保持反应室（1）中真空度为13.3Pa，结果AlCl₃全部代替惰性气体并电离，正离子金属铝轰击放置于阴极盘（4）上的GH220材料，使其温度上升，600℃左右Al正离子与GH220材料产生物理的和化学的反应，于是形成渗铝表面层，所形成的表面层为AlNi、AlNi₃及NiAl₃合金层。

用上述相同的方法还可在钢铁材料表面形成Fe₃Al，Fe₂Al₅及FeAl₃等合金层，在钼及钼基合金材料表面形成MoAl、MoAl₄及MoAl₁₂等合金层;在铜及铜基合金材料表面形成Cu₃Al₄、CuAl及CuAl₂等合金层;在铌及铌基合金材料表面形成Nb₃Al、NbAl等合金层。

实施例2：在金属材料上形成钛合金表面层。

所用设备及渗金属过程与实施例1的相同，只是在本实施例情况 下工作气体为TiCl₄金属化合物的气体。按照本实施例方法可在钢铁材料表面形成Fe₂Ti、FeTi等合金层;在镍及镍基合金材料表面形成Ni₃Ti、NiTi₂等合金层;钼及钼基合金材料表面形成MoTi固溶体层;在铜及铜基合金材料表面形成Cu₄Ti、Cu₃Ti、CuTi₂等合金层。

实施例3：在金属材料表面形成锌合金层

所用设备及渗金属过程与实施例1的相同，只是在本实施例情况下工作气体为ZnCl₂金属化合物的气体。按照本实施例方法，可在上两实施例所例举的多种金属材料的表面上形成锌合金层。

其他实施例：

所用设备及渗金属过程仍然与实施例1的相同。若工作气体改为SnCl₄气体，则可在钢铁材料表面上形成Fe₃Sn₂、FeSn及FeSn₂等合金层;在铌及铌基合金材料表面上形成Nb₃Sn、NbSn₅及NbSn₂等合金层。若工作气体为NiCl₂，则能在钨及钨基合金材料表面形成Ni₄W，在钢铁材料表面形成FeNi固容体层;在钛及钛基合金材料表面形成Ni₃Ti、NiTi。若工作气体为CrCl₄，则能在金属材料表面形成CrFe、CrMo、CrTi、及CrNi等固溶体层。工作气体为MoCl₅，则在金属材料表面形成MoNi、MoNi₃、MoNi₄及MoTi、Fe₇Mo₆、FeMo等固溶体层。工作气体为WCl₅时，则在金属材料表面形成W₆Fe₇、WFe₂、Ni₄W等合金层。工作气体为NbCl₅时，则在金属材料表面形成Fe₂Nb、Fe₂₁Nb₁₉、Fe₂Nb₃、NiNb、 NiNb₃、Nb₃Sn、Nb₆Sn₅及NbSn₂等合金层。当工作气体为VCb₅时，能在金属材料表面形成FeV、TiV等固溶体层。工作气体为CuCl₅时，则可在金属材料表面形成Cu₄Ti、Cu₂Ti、Cu₃Ti₂、CuTi、CuTi₂、CuFe、CuNi等固溶体层。

上述实施例中所介绍的渗金属设备乃是该设备的主体部分，为了使该设备能正常地运转，真空反应室采用防腐材料制成，例如，不锈钢、渗铝或渗钛的碳钢或不锈钢等。另外，该设备还装备有一些常用的装置，如，控制压力的压力计（14），控制流量的流量计（23）一些阀门（12，13，17，19，22），废气净化器（21），沉积反应物冷阱（18），气瓶（24），观察窗（6），石英玻瓶（11）等。这些对于本领域内的技术人员来说都是公知的。

综观上述本发明方法及设备的优点如下：（1）由于采用金属卤化物直接加热气化而后在高压电场下进行辉光放电的方法，加快了渗金属的速度，可在较其他方法低几百度的条件下形成表面渗金属层，且所形成的表面渗层均一，渗层深度深。

（2）辉光放电的金属离子轰击金属材料或工件表面，能对其表面进行加热。

（3）由于金属卤化物可以放在蒸发器中加热，这样，对加热温度控制就更加容易，更加准确，此外蒸发器的位置可以灵活处理，即可以放在反应室中，又可以放在反应室外。

（4）本发明可以通过调节反应室压力，工作气体浓度，金属材料或工件的温度，渗金属的时间以及阴阳极之间电流电压等来得到不同的 相结构及表面合金层深度。

（5）本发明方法应用范围广泛，可以应用在许多金属材料上形成合金表面层。

Claims (5)

1、一种通过金属卤化物的加热气化而在金属材料表面形成合金层的方法，该方法由下列步骤组成：将被渗金属材料放置在真空炉内反应室中的阴极盘上，金属卤化物在真空炉抽真空情况下(真空度为1.33Pa)进行加热并达到沸点而气化，气化的金属卤化物充满反应室中，此时在阴极和阳极之间施加一电场，金属化合物气体在电场作用下电离产生辉光放电，正离子金属轰击位于阴极盘上的被渗金属材料，从而使其表面形成合金层，该方法的特征在于，金属卤化物直接加热气化，气化金属卤化物是在惰性气体进行辉光放电后进入真空炉内反应室中取代惰性气体，在直流高压电场作用下电离并产生辉光放电，在辉光放电条件下对金属材料进行表面渗金属。

2、根据权利要求1中的方法，其特征在于，辉光放电时的高压电场的电压为300-1500伏。

3、根据权利要求1中的方法，其特征在于金属卤化物的加热气化是在阴极盘之外进行的。

4、一种对金属材料表面进行气体渗金属从而使其表面形成合金层的设备，它是由下列部分组成的：一真空反应室;处于该真空反应室中的阴极盘和阳极，被渗金属材料就设置在该阴极盘上;一盛装金属化合物的蒸发器;一些阀门;其特征在于所述蒸发器位于真空反应室以外的地方，从保证气化金属卤化物能在惰性气体进行辉光放电后进入真空炉反应室中取代惰性气体而继续进行辉光放电。

5、根据权利要求4中的设备，其特征在于真空反应室是由防腐蚀材料制成的。