CN1166808C - 金属和非金属元素等离子共渗工艺 - Google Patents

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Abstract

金属和非金属元素的等离子共渗工艺，属于表面冶金的范畴，主要解决金属和非金属元素等离子共渗的表面合金化问题。其特征在于：利用双层辉光离子渗金属技术，在通入惰性气体的同时通入带有非金属元素的反应性气体，使反应性气体中的元素参与离子溅射、电离和渗入过程，在源极中的金属元素渗入被渗金属材料的同时，反应性气体中的非金属元素也同时渗入被渗金属材料表面，从而实现一次形成金属非金属元素共渗的表面合金层。

Description

金属和非金属元素等离子共渗工艺
一.技术领域
本发明金属和非金属元素等离子共渗工艺属于表面冶金的范畴。
二.背景技术
1985年5月28日，由我国学者发明的“双层辉光放电离子渗金属技术”取得了美国专利权。美国发明专利号为4731539。该发明专利是利用稀薄气体中的辉光放电及溅射现象，在真空容器中设置由欲渗合金元素组成的源极及放置工件的阴极，源极与阳极之间的辉光放电使合金元素溅射出来，并吸附于被离子轰击加热至高温的工件表面，然后借助于沉积扩散过程使工件表面形成含有欲渗合金元素的合金层。
1987年6月20日，由我国学者发明的“锯切工具离子渗金属技术”获中国发明专利，中国发明专利号为8710435804。该发明专利是“双层辉光放电离子渗金属技术”在锯切工具上的一个具体应用技术，其基本原理是首先利用双层辉光离子渗金属技术在金属材料表面渗入所需的合金元素，(如W、Mo、Cr、V等)。其次进行渗碳处理，以获得含有高碳高合金的表面合金层。第三进行后续热处理，如淬火、回火。
三.发明内容
本发明金属和非金属元素等离子共渗工艺的目的在于公开一种在通入惰性气体氩气或氮气时，同时通入反应性气体，将各种金属元素和非金属元素同时渗入被渗金属材料表面，形成多种元素的表面合金层。如工艺需要，可在形成合金层的同时实施淬火工艺，一次达到高硬表面合金层，使几个工艺同时完成。
本发明专利与“双层辉光放电离子渗金属技术”和“锯切工具离子渗金属技术”两个发明专利不同之处是：原发明专利只通入惰性气体，未包括非导电的元素的渗入及采用先渗金属后渗碳再淬火的三步工序。
金属和非金属元素的离子共渗工艺其特征在于：利用双层辉光离子渗金属技术，在通入惰性气体氩气或氮气的同时通入反应性体，使反应性气体中的元素参与离子溅射、电离和渗入过程，在源极中的金属元素渗入被渗金属材料的同时，反应性气体中的元素同时渗入被渗金属材料表面。使被渗的金属材料一次形成具有既含有源极中欲渗的合金元素，又有反应气体中的元素的表面合金层。根据工艺需要在形成表面合金层后，提高工艺温度或降低工艺温度，进行快速冷却，达到淬火的目的。其具体工艺过程为：
采用一个可以抽真空的容器，真空容器中设置一个由欲渗金属或合金元素组成的源极、放置被渗金属材料的阴极、阳极接在炉体上，在阳极与阴极，阳极与源极之间各设置有0～1500V的可调直流电源或脉冲直流电源，沿容器内层设置具有辅助加热源极和阴极功能的电阻加热装置，工作时，抽真空达1×10-1Pa后，充入惰性气体氩气、氮气，和满足不同渗层需要的反应性气体甲烷、乙烷、丙烷、丙酮挥发气、氨气、乙硼烷或四氯化钛，并形成在10Pa～1333Pa之间的工作气压，加入直流电压或脉冲直流电压，产生辉光放电的真空容器中的阴极与阳极之间的电压在-300v～-700v范围，源极与阳极的电压在-800V～-1200V范围，随着离子轰击的溅射作用将源极中的合金元素以离子、原子或粒子团的形式溅射出来，同时通入的反应性气体不仅参与溅射，而且在电场的作用下被电离，产生活性的离子、原子和粒子团，这些活性离子，原子和粒子团随同从源极中溅射出的金属离子、原子或粒子团共同吸附于外加辅助热源及阴极离子轰击，处于高温状态的被渗金属材料表面.使吸附于表面的活性物质扩散进入内部，形成表面合金层，而后根据需要，实施快速冷却，进行淬火工艺。
金属和非金属元素的离子共渗工艺其特征在于，通入的反应性气体含：非金属元素、金属元素或金属元素和非金属元素。
本发明的用途及优点：
1.将多次分步渗入工艺合为一次同时渗入工艺，节约能源、资源、简化工艺、方便操作。
2.形成更合理，成分可控的含有多种合金元素与非金属元素的表面层。
3.设备更紧凑，工艺更适用，操作更方便，更有利于技木的推广和应用。
四.具体实施方式
下面将以在低碳钢表面形成高碳高合金层为例，具体阐述本发明的特点。
实施例一：将欲渗的合金元素W、Mo、Cr、V组成的板块吊挂在源极上，被渗金属材料20钢放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。抽真空达极限真空度1×10-1Pa后，通入惰性气体氩气到20Pa，然后通入反应性气体甲烷到40Pa，在源极与阳极、阴极与阳极之间加入直流电压，源极电压在-1000V，阴极电压在-500V，辅助加热功率在3KW左右，升温到1100℃保温3小时，然后缓冷到室温，即可获得100um的高碳高合金扩散层。
实施例二：工艺过程基本同上，工艺参数变化如下：氩气先通到20Pa，后通反应性气体到80Pa，源极电压-1200V，阴极电压-300V，工作温度800℃，保温3小时，然后缓慢冷到室温，即可获得20um表面反应沉积高碳高合金层及30um高碳高合金扩散层。
本发明如同时或分别通入反应性气体，如碳氢化合物气体，氨气，含硼气体或金属卤化物气体等，可以一次形成表面含碳、氮、硼的金属化合物层或含卤化物气体中元素的合金层。
本发明在通入反应性体，如碳氢化合物气体，氨气、乙硼烷气体或金属卤化物气体，形成高合金碳、氮、硼化物层或多种元素合金层后还可直接提高温度或降低温度，采用快冷的方式，实施淬火工艺。

Claims (1)

1.一种金属和非金属元素的离子共渗工艺，其特征在于：利用双层辉光离子渗金属技术，在通入惰性气体氩气或氮气的同时通入反应性气体，使反应性气体中的元素参与离子溅射、电离和渗入过程，在源极中的金属元素渗入被渗金属材料的同时，反应性气体中的元素也同时渗入被渗金属材料表面，使被渗的金属材料一次形成具有既含有源极中欲渗的合金元素，又有反应气体中的元素的表面合金层，根据工艺需要在形成表面合金层后，提高工艺温度或降低工艺温度，进行快速冷却，达到淬火的目的，其具体工艺过程为：
采用一个可以抽真空的容器，真空容器中设置一个由欲渗金属或合金元素组成的源极、放置被渗金属材料的阴极、阳极接在炉体上，在阳极与阴极，阳极与源极之间各设置有0～1500V的可调直流电源或脉冲直流电源，沿容器内层设置具有辅助加热源极和阴极功能的电阻加热装置，工作时，抽真空达1×10-1Pa后，充入惰性气体氩气、氮气，和满足不同渗层需要的反应性气体甲烷、乙烷、丙烷、丙酮挥发气、氨气、乙硼烷或四氯化钛，并形成在10Pa～1333Pa之间的工作气压，加入直流电压或脉冲直流电压，产生辉光放电的真空容器中的阴极与阳极之间的电压在-300V～-700V范围，源极与阳极的电压在-800V～-1200V范围，随着离子轰击的溅射作用将源极中的合金元素以离子、原子或粒子团的形式溅射出来，同时通入的反应性气体不仅参与溅射，而且在电场的作用下被电离，产生活性的离子、原子和粒子团，这些活性离子，原子和粒子团随同从源极中溅射出的金属离子、原子或粒子团共同吸附于外加辅助热源及阴极离子轰击，处于高温状态的被渗金属材料表面，使吸附于表面的活性物质扩散进入内部，形成表面合金层，而后根据需要，实施快速冷却，进行淬火工艺。
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