CN1136333C

CN1136333C - 金属低温渗入的装置和方法

Info

Publication number: CN1136333C
Application number: CNB991216415A
Authority: CN
Inventors: 李成明; 张勇; 曹尔妍; 薛明伦
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 1999-10-11
Filing date: 1999-10-11
Publication date: 2004-01-28
Anticipated expiration: 2019-10-11
Also published as: CN1281058A

Abstract

本发明涉及在金属基体表面低温下渗入金属离子的装置，它包括气体通入和气体控制部分、真空系统与真空室相通、电弧蒸发源靶、触发引弧结构均安置在真空室内上部；真空室内下部设有一放置工件的转动机构带动的具有公转和自转的支架，直流电源的阴极与靶相连接，阳极与真空腔连接接地；其特征在于：还包括一高压直流脉冲电源，高压直流脉冲电源连接在工件阴极和真空腔之间，可调节孔径大小的挡板安置在电弧蒸发源的前端。

Description

金属低温渗入的装置和方法

本发明涉及表面冶金技术，尤其是涉及在金属基体表面低温下渗入金属离子的装置。

渗金属是指在基体金属表面渗入另一种或几种合金元素，而使基体金属表面形成一种具有特殊表面性能的过程。金属材料表面合金化又称表面合金渗镀、渗扩等。表面合金化不包括金属材料形成合金化层后的淬火，回火等工艺。钢铁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。一般来讲渗镀主要是指金属元素。也就是我们所说的渗金属。它的特点是：渗层的形成依靠加热扩散的作用，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的(即所谓冶金结合)，因而结合非常牢固，因而渗镀层不易脱落，这就是其它方法所不及的突出优点。

依渗入元素之不同，可以在同一种材料的表面获得不同的组织和性能，还可使材料表面具有抗高温氧化、耐腐蚀、耐磨损等优良性能。渗镀方法很多，以与工件相接触的介质来分，有固渗、液渗、气渗和离子渗。离子渗金属的突出的优点就是非常合理的利用电能。电能主要用于源金属的离子化，并将工件加热到必要温度，这种方法是综合强化法，因为它使扩渗各个过程都得以强化。

离子渗金属的主要优点：

(1)渗速快：由于阴极溅射效应为渗剂原子和离子的吸附与渗入创造了一个高度活化的表面，又由于高能粒子的轰击，使金属表面出现高密度位错区，导致渗剂原子既沿晶界也向晶内扩散，特别是沿位错扩散，故大大地有助于渗入物质扩散，由于等离子可以向工件表面提供和维持渗剂元素的很高的表面浓度及其梯度，因而有比其它渗扩法快的渗速。

(2)不需去钝处理：很适用于不锈钢表面强化。阴极溅射效应可有效到去除氧化，保持表面净化，故渗前不需要任何去钝处理，且工件又是在残留极少氧气的真空中进行，没有再生新氧化膜机会，故很适用于不锈钢和不锈热耐钢等高合金奥氏体钢的表面强化。

(3)能耗小、成本低：因不需要外加热源，能耗与工件数量成正比，且处理时间短，故在一定条件下，比其它外加热源的渗扩工艺耗能合理而较少。

(4)易实现工艺过程及渗层的计算机控制。

近十多年来离子渗金属技术有较大的发展。徐重等(徐重，王从曾，苏永安，唐宾，中国专利，87104358.0)发明了双层辉光离子渗金属技术，它是在真空容器内设置阳极、阴极(工件)以及由欲渗合金元素组成的源极。阳极和阴极之间以及阳极和源极之间各设一个可调压直流电源。当真空室内氩气压达到一定值后，调节上述电源，则在阳极和阴极以及阳极和源极之间出现辉光放电。辉光放电使源极的欲渗元素在离子轰击下被溅射出来，高速飞向阴极(工件)表面，同时辉光放电使电能转变为热能使工件加热至高温。由源极溅射出来的粒子被处于高温的工件表面吸附，借助于扩散过程进入工件表面，从而形成欲渗元素的合金层；王福贞(王福贞，中国专利，CN 88 1000549.5)将多弧离子镀技术发展为多弧离子渗金属技术，首先提高工件负偏压，利用阴极电弧获得高能量和高密度金属离子流，二者将工件轰击加热至渗金属温度，实现了离子渗金属；潘俊德等(潘俊德，范本惠，李成明，贺琦，郑维能，徐重，金属学报，1993，9：B424)发展了前两项技术提出了加弧辉光离子渗金属技术，是在双层辉光离子渗金属装置中引入冷阴极电弧源，选用欲渗元素的固态纯金属或合金成份材料，制成阴极电弧源靶和辉光放电辅助源极溅射源，合金元素的含量可以在零至百分九十以上的范围内变动，渗层厚度也可由几微米至数百微米。这些方法的共同特点是工具件的温度均在1000℃左右，一方面易于引起工件的变形，另一方面需要对零件进行后续热处理。高温处理所引起的变形和需后续热处理是这些方法的共同的缺点。

本发明的目的在于克服已有技术在渗金属时，工件一定要被加热到1000℃左右温度，而易于引起工件的变形和浪费能源的缺点，以及克服该方法还有一对渗入过的工件必须进行后续热处理工序的麻烦，从而提供一种在金属元素低能离子在中温阶段600℃以下的注入和渗入，并可在工件表面形成金属的镀层，因而可实现金属的注、渗和镀的有机结合，节约能源和成本的金属低温渗入的装置。

本发明的目的是这样完成的：

本发明的提供在金属基体表面上渗入金属的装置，包括：气体通入和气体控制部分、真空系统与真空室相通、电弧蒸发源靶与触发引弧结构相连接均安置在真空室内上部；真空室内下部设有一放置工件的转动机构带动的具有公转和自转的支架，直流电源的阴极与靶相连接，阳极与真空腔连接接地；其特征在于：还包括一高压直流脉冲电源，高压直流脉冲电源串接工件和真空腔，直流脉冲电源的阴极与工件相连接；

其中真空室壁上安装至少一个欲渗材料的电弧蒸发源靶；电弧蒸发源靶前设置一可调节孔径大小的挡板；可调节孔径大小的挡板安置在它的前端，阻挡原子集团飞向工件，其结构还可以象照相机的快门一样，调节孔径的大小；

其中电弧蒸发源靶的材料可以是钛、铬、锆、镍、铌、钨、钼、钽、钒、铜、铝和铪等各种金属的单质或合金，各种靶材可在真空室中单一或混合布置，直流电源提供电弧阴极的电流在0-300A可调；脉冲偏压电源电压在0-3000V可调，占空比在0-100％范围内连续可变；

本发明实现金属元素的低温渗入，其特点是利用阴极电弧发射出的高离化率、高能量的金属离子，在几千伏脉冲电压的加速作用下，使金属离子的能量达到千电子伏特的的能量级，辉光放电和多弧阴极发射离子轰击的共同作用使工件加热到600℃以下，实现金属元素的低温渗入和注入的有效结合。在降低直流脉冲电压后可在工件表面形成金属镀层，因而可实现金属的注、渗和镀的有机结合。当启动前级扩散泵组成的真空系统使真空室达到一定的真空极限；通过气体控制系统向真空室中通入惰性气体氩气，真空室气压在1×10^-2Pa-10Pa之间；通过直流脉冲电源对工件施加脉冲电压，使工件达到所需渗金属的温度，工件温度不高于600℃；开启电弧阴极电源，引燃电弧，阴极电弧斑点发射出金属离子、原子和原子团，在脉冲电压的作用下，原子团和原子进一步分解离化，离子加速获得千伏级的能量向工件表面运动，高能量的金属离子注入工件表面，并进一步扩散形成合金渗层。降低工件脉冲电压为几百伏时，可在工件表形成金属镀层。因而可获得金属的渗镀结合层。

本发明的优点：

由于本发明提供的装置中有一高压直流脉冲电源串接在工件和真空腔之间；并在电弧阴极前端有一可调节孔径大小的挡板；因此电弧阴极发射出靶金属60％以上被电离，而原子集团主要飞向与靶成30°的侧面，在阴极电弧前端侧沿30°部位加屏蔽隔离，阻挡了金属大颗粒飞向基板。同时高脉冲电压在放电空间使电子、离子产生强烈的振荡作用，使原子团进一步分解离化，基板所加千伏级脉冲高压加速金属离子，使金属离子的能量达到Kev数量级，同时通过调节靶与工件的距离控制温度在工件回火温度以下，实现金属离子的低能注入和低温渗入。避免了高温渗金属的变形，免去金属高温渗入的后续处理工艺，节省能量，节约成本。

本发明提供的金属低温渗入的方法依下列工艺进行：

1、根据工件尺寸调节电弧前端的挡板的孔径的大小；

2、启动真空系统使真空室达到极限真空度在1×10^-3Pa后；

3、通入气体控制系统向真空室充入氩气，达到0.5Pa；

4、高压脉冲电源向工件施加脉冲偏压1500V，使工件产生辉光放电，对工

件进行离子轰击清洗；

5、通过电源3对钛靶蒸发源5施加弧流70A，用触发引弧装置引燃电弧阴

极的电弧；

6、根据工件与电弧阴极靶距离及气压，调节高压直流脉冲电源功率，保持

温度在600℃左右的中温范围，时间为根据所需渗入厚度决定；

7、保持一定时间达到所需渗入厚度；通过降低温度及工件所加直流脉冲电

压可在工件表面形成金属的镀层；

8、依次关闭电弧电源和高压直流脉冲电源及充入气，降温冷却出炉。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

图1是本发明的组成示意图

实施例1

按图1制作一台金属低温渗入的装置，在图中1——工件；

2——支架转动装置； 3—直流电源

4——脉冲直流电源； 5——电弧蒸发源靶；

6——触发引弧结构； 7——气体通入及控制部分；

8——真空系统； 9——挡板；

10——真空室： 11——支架；

在可容纳工件的真空室(10)中的侧壁上密封安装通入气体和气体控制部分(7)，通入气体和气体控制部分(7)采用通常真空设备中所用的结构；真空室10接地为阳极；真空室10上部的内壁上安装一个钛材料的电弧蒸发源靶5；直流脉冲电源3的阴极与电弧蒸发源靶5相连接，阳极与真空腔连接接地；电弧蒸发源靶前设置一可调节孔径大小的挡板9，挡板与靶面成30度角；6为触发引弧结构，该结构为通常结构；直流电源4向工件1提供直流脉冲电流；工件1放置在具有公转和自转的支架11上；支架11由转动机构2带动，通常的真空系统8与真空室(10)密封连通。

实施例2

应用本实施例1的装置在20号低碳钢基板进行渗入钛层的方法。利用图1中的真空系统8使真空室达到极限真空度10^-3Pa，通过气体控制系统7充入氩气到0.5Pa，在20号低碳钢基板1上加脉冲偏压1500V，占空比60％，进行离子轰击，通过电源3对钛靶蒸发源5施加弧流70A，并利用6引发电弧，保持温度在600℃，时间为1小时，在此条件下，可获得近2μm厚的钛渗层，表面的钛浓度为8％。

Claims

1、一种金属低温渗入的装置，包括：气体通入和气体控制部分、真空系统与真空室相通、电弧蒸发源靶与触发引弧结构均安置在真空室内上部；真空室内下部设有一放置工件的支架，该支架由转动机构带动，直流电源的阴极与靶相连接，阳极与真空腔连接接地；其特征在于：还包括一高压直流脉冲电源，高压直流脉冲电源串接工件和真空腔之间；可调节孔径大小的挡板安置在电弧蒸发源的前端；所述的支架由转动机构带动公转和/或自转。

2、按权利要求1所述的金属低温渗入的装置，其特征在于：所述的电弧蒸发源靶在真空室壁上安装至少一个欲渗材料的电弧蒸发源靶。

3、按权利要求1或2所述的金属低温渗入的装置，其特征在于：所述的电弧蒸发源靶前设置一可调节孔径大小的挡板，挡板的位置与电弧蒸发源靶面成为30°。

4、按权利要求1或2所述的金属低温渗入的装置，其特征在于：所述的电弧蒸发源靶前设置一可调节孔径大小的挡板，挡板的结构为照相机的快门结构。

5、按权利要求1或2所述的金属低温渗入的装置，其特征在于：所述的电弧蒸发源靶材料包括：钛、铬、锆、镍、铌、钨、钼、钽、钒、铜、铝和铪各种金属的单质或合金，各种靶材可在真空室中单一或混合布置。

6、一种使用权利要求1所述的装置进行金属低温渗入的方法，其特征在于：依下列步骤进行：

(1)根据工件尺寸调节好电弧前端的挡板的孔径的大小；

(2)启动真空系统使真空室达到极限真空度在1×10^-3Pa后；

(3)通过气体控制系统向真空室充入氩气，达到0.1Pa-10Pa；

(4)高压脉冲电源向工件施加脉冲偏压0-1200V，使工件产生辉光放电，对工件进行离子轰击清洗；

(5)通过电源对钛靶蒸发源施加弧流0-200A可调，用触发引弧装置引燃电弧阴极的电弧；

(6)根据工件与电弧阴极靶距离及气压，调节高压直流脉冲电源功率，保持在温度至600℃的中温范围，时间为根据所需渗入厚度决定；

(7)保持一定时间达到所需渗入厚度；通过降低温度及工件所加直流脉冲电压可在工件表面形成金属的镀层；

(8)依次关闭电弧电源和高压直流脉冲电源及充入气，降温冷却出炉。

7、按权利要求6所述的金属低温渗入的方法，其特征在于：所述的直流电源提供电弧阴极的电流在0-200A可调；脉冲偏压电源电压在0-3000V可调，占空比在0-100％范围内连续可变。