CN1032376C - 弧光离子渗碳与共渗技术及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明弧光离子渗碳与共渗技术及其装置，是利用弧光放电现象实现金属表面渗碳及其共渗的新技术及其装置。其特征在于以石墨碳直接作为阴极电弧源的靶材，发射出高密度的碳离子流，依靠碳离子的轰击与扩散在工件表面形成均匀渗碳层，若同时通入氮气即可实现碳氮共渗，若在设置后墨碳靶的同时交替均匀设置金属靶既可实现金属、碳、氮共渗，又能在工件表面形成金属碳氮化合物渗镀层及其金属化合物薄膜，具有渗速快，渗层组织均匀，成份可控，设备简单，成本低等优点。
Description
本发明弧光离子渗碳与共渗技术及其装置属于一种金属表面化学热处理的范畴，具体而言就是利用弧光放电现象实现金属表面渗碳及碳、氮共渗和金属、碳、氮共渗的一种技术及其装置。
现有的渗碳方法，有固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、膏剂渗碳、可控气氛渗碳，以及近年来发展起来的真空渗碳和辉光离子渗碳等方法。但是固体、液体、气体渗碳有渗速慢，组织不均匀，成份不可控，污染大气，劳动条件差等缺点，可控气氛渗碳虽然解决了成份可控，但处理时间长，设备复杂，成本较高。辉光离子渗碳和真空渗碳虽然又前进一步，但仍有处理时间长，设备复杂、成本高的缺点。
本发明的目的在于利用稀薄气体中的弧光放电现象，把石墨碳直接作为阴极电弧源的靶材，依靠碳离子流的轰击与扩散，渗入工件内部形成均匀渗碳层和实现碳氮共渗，以及在工件表面形成金属、碳、氮化合物渗镀层和金属化合物薄膜。从而提供一种渗速快、渗层组织均匀，成份可控，设备简单、成本低的弧光离子渗碳与共渗技术及其装置。
本发明是利用稀薄气体中的弧光放电现象，在真空度为3×10-15×10-1帕，并能充入气体介质，且工作气压为8×10-1～50帕的真空容器内，设置可以转动和升降的阴极转动系统和电弧靶源，同时配备抽气，供气和测量装置，其真空容器由钟罩(1)和底盘(7)组成；其阴极转动系统由阴极托盘(12)、阴极负偏压电源(8)和转动系统(9)组成；电弧靶源由低压直流电源(6)、引弧电极(2)、电弧源靶材(3)、电弧蒸发器(4)，永久磁铁块(5)和冷却装置组成；抽气系统由机械泵(10)和油扩散泵(11)组成；供气系统由供气源(13)、送气管路(17)和进气口(18)组成；测试系统主要是由光电测温仪(14)和观察孔(15)组成；其欲渗工件(16)置于阴极托盘(12)上，作为阳极的钟罩(1)和阴极托盘(12)之间连接一个可调的0～1500V的直流负偏压电源(8)，在阳极钟罩(1)的不同方位上设置阴极电弧靶材(3)，在阳极钟罩(1)和阴极电弧蒸发器(4)之间连接一连续可调的0～100V低电压，0～200A的大电流直流电源，其特征在于：其一是阴极电弧源的电弧靶材是由石墨碳制成，形状为圆柱状，直径和厚度为φ50～80×30～60mm的石墨靶材；其二是在钟罩(1)上不同方位设置的石墨靶材(3)与欲渗工作(16)成一定角度，可按90°、45°～60°、90°和45°～60°三种方案设置；其三是在钟罩(1)上在与欲渗工件成90°和45°～60°的方位上同时均匀交替设置石墨碳靶和金属靶，亦可仅在90°方位上交替设置石墨碳靶和金属靶，亦可仅在45°～60°的方位上交替设置石墨碳靶和金属靶；其四是在钟罩(1)上设置石墨碳靶的同时通入氮气实现碳氮共渗；其五是在钟罩(1)上同时均匀交替设置石墨碳靶和金属靶，同时通入氮气实现欲渗工件表面形成金属碳氮化合物渗镀层和金属化合物薄膜；其六是电弧蒸发器(4)上安装的永久磁铁块(5)可以设计为五角形、六角形、八角形、梅花形等。欲渗工件(16)与阴极电弧靶之间的距离为80～300mm。
欲渗工件(16)的渗碳及碳氮共渗的温度为800～1100℃，偏压为200～1000V，弧流为60～150A，工作气压为8×10-1～50帕之间。
在欲渗工件(16)表面合成金属碳氮化合物渗镀层和金属化合物薄膜时工件的温度为200～1100℃，偏压为0～1000V，气压为8×10-1～8帕之间，弧流为60～150A。
附图说明：
附图为弧光离子渗碳与共渗技术及其装置图。
图中：1、钟罩 2、引弧电极 3、电弧源靶材 4、电弧蒸发器 5、永久磁铁块 6、电弧电源 7、底盘 8、阴极负偏压电源 9、转动机构 10、机械泵 11、油扩散泵12、阴极托盘 13、供气气源 14、光电测温仪 15、观察孔 16、欲渗工件 17、送气管路 18、进气口。
下面结合附图说明本发明的技术特征、装置及其工作过程。
进行弧光离子渗碳及共渗时，首先由抽气系统的机械泵(10)和油扩散泵(11)将真空容器抽至高真空，极限真空度3×10-1～5×10-1帕，而后由供气系统充入惰性气体氩气或反应气氮气，使工作气压保持在8×10-1～50帕的范围，接着由引弧电极(2)引燃电弧，由阴极电弧蒸发器(4)发射出高密度的电子，这时在石墨碳靶材(3)表面迅速产生弧斑，每个弧斑的电流密度高达105A/cm2以上，弧斑在磁场的作用下在石墨靶材(3)的表面作无规则的运动，蒸发出的碳原子迅速地被电离，电离率高达70～90％，从石墨靶(3)发射出的碳离子流，在工件(16)负偏压的吸引下高速轰击工件(16)表面，使工件(16)升至高温，碳离子在轰击与扩散的过程中渗入工件内部形成均匀的渗碳层或碳氮共渗层。
以20钢工件弧光离子渗碳为例，工件温度为950℃，处理时间为30分钟，渗碳层厚度为0.77mm，处理时间为1小时，渗碳深度为1.3mm。渗碳层的表面碳浓度经波谱分析为0.95％，表面到中心的碳浓度分布平缓过渡，渗层的表面组织为共析组织，是理想的渗碳层，而且表面碳浓度和渗层厚度可以由弧流、偏压和距离等工艺参数来控制。
若在钟罩(1)不同方位上设置石墨碳靶(3)的同时均匀交替设置金属靶(W、Mo、C1、T1等碳化物形成元素)就可以在工件表面形成金属碳氮化合物渗、镀层和金属化合物薄膜，可以提高工件的耐磨、耐蚀、耐热及抗高温氧化等性能。
若在渗碳的同时，由供气系统通入氮气或氨气，就可以实现碳氮共渗。
本发明具有设备简单、操作方便、渗速快生产效率高，渗层厚度及组织成份容易控制、易实现工业化生产等优点，是目前最新的一种弧光离子渗碳及共渗技术。
Claims (7)
1、一种弧光离子渗碳与共渗装置，是在真空度为3×10-1～5×10-1帕，并能充入气体介质、工作气压为8×10-1～50帕的真空容器内，设置可以转动和升降的阴极转动系统和电弧靶源，同时配备抽气、供气和测温装置，其真空容器由钟罩(1)和底盘(7)组成；其阴极转动系统由阴极托盘(12)、阴极负偏压电源(8)和转动系统(9)组成；电弧靶源由低压直流电源(6)、引弧电极(2)、电弧源靶材(3)、电弧蒸发器(4)、永久磁铁块(5)和冷却装置组成；抽气系统由机械泵(10)和油扩散泵(11)组成；供气系统由供气源(13)、送气管路(17)和进气口(18)组成；测试系统由光电测温仪(14)和观察孔(15)组成；其欲渗工件(16)置于阴极托盘(12)上，作为阳极的钟罩(1)和阴极托盘(12)之间连接一个可调的0～1500V的直流负压电源(8)，在阳极钟罩(1)的不同方位上设置阴极电弧源靶材(3)，在阳极钟罩(1)和阴极电弧蒸发器(4)之间连接一连续可调的0～100V的低电压，0～200A的大电流直流电源，其特征在于：其一是阴极电弧源的电弧靶材是由石墨碳制成，形状为圆柱状，直径和厚度为Φ50～80×35～60mm的石墨靶材；其二是在钟罩(1)上不同方位设置的石墨靶材(3)与欲渗工件(16)成一定的角度；其三是在钟罩(1)上同时在各种角度均匀交替设置石墨碳靶和金属靶；其四是电弧蒸发器上装有五角形、六角形、八角形、梅花形等各种形状的永久磁铁(5)。
2、按照权利要求1所述的一种弧光离子渗碳与共渗装置，其特征在于钟罩(1)不同方位上设置的石墨碳靶可与欲渗工件(16)成一定角度，具体为90°、45～60°、90°和45°～60°三种方案设置。
3、按照权利要求1所述的一种弧光离子渗碳与共渗装置，其特征在于钟罩(1)上在与欲渗工件成90°和45°—60°方位上同时均匀交替设置石墨碳靶和金属靶，亦可仅在与欲渗工件成45°—60°方位上均匀交替设置石墨碳靶和金属靶。
4、按照权利要求1所述的一种弧光离子渗碳与共渗装置，其特征在于所述的欲渗工件(16)与阴极电弧靶之间的距离为80—300mm.
5、一种弧光离子渗碳与共渗技术，是利用稀薄气体中的弧光放电现象，将上述弧光离子渗碳与共渗装置中的容器抽成真空度为3×10-1--5×10-1帕，并充入气体介质，使工作气压为8×10-1至50帕，其特征在于，利用设置在钟罩(1)上的石墨碳靶，使欲渗工件(16)在一定的温度、偏压、弧流、工作气压下完成欲渗工件表面渗碳，欲渗工件(16)的渗碳的为800—1100℃，偏压为200—1000V，弧流为60—150A，工作气压为8×10-1—50帕之间。
6、一种弧光离子渗碳与共渗技术，其特征在于，在与权利要求5相同条件下，在利用设置在钟罩(1)上的石墨碳靶的同时，通入氮气使欲渗工件在给定的温度、偏压、弧流、工作气压下实现欲渗工件表面的碳氮共渗。
7、一种弧光离子渗碳与共渗技术，其特征在于在与权利要求5相同的条件下，利用交替设置在钟罩(1)上的金属靶和碳靶，同时通入氮气，使欲渗工件在给定的温度、偏压、弧流、工作气压下，实现欲渗工件表面金属碳氮化合物渗镀层和金属化合物薄膜的形成，欲渗工件(16)表面合成金属碳氮化合物渗镀层和金属化合物薄膜时工件的温度为200—1100℃，偏压为0—1000V，弧流为60—150A，工作气压为8×10-1—8帕之间。
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