CN1318639C - 热电子增强离子渗硼装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

一种热电子增强离子渗硼装置及工艺，属于金属材料表面化学热处理工艺技术的范畴，是在黑色金属和有色金属的表面利用空心阴极效应及热电子发射效应，进行离子渗硼与硼-金属共渗的技术和装置。提供了以固体金属硼化物为供给硼源的离子渗硼装置和方法。空心阴极效应及热电子发射效应，加强了硼的渗入及可控性。以硼铁、硼钛、硼铬、硼镍等为硼化物源极材质，实现渗硼和硼-钛、硼-铬、硼-镍共渗。是一种硼原子形成方便、快捷、无污染、渗入速度快，渗层均匀，成份可控，设备简单，成本低，无氢渗硼的辉光放电技术及装置。

Description

热电子增强离子渗硼装置及工艺
一、技术领城
本发明热电子增强离子渗硼装置及工艺属于金属材料表面化学热处理工艺技术的范畴。具体的来讲是一种在导电物质的表面利用空心阴极效应和热电子发射效应进行离子渗硼的技术和装置。本发明提供了一种以固体硼化物为供给源的离子渗硼装置和方法。
二、背景技术
现有的渗硼方法，如固体渗硼、液体渗硼、气体渗硼、膏剂渗硼、电解渗硼、真空渗硼及气体离子渗硼方法，均存在着不同方面的缺点。固体、液体、气体渗硼渗速慢、成分可控性差、污染环境。膏剂渗硼，劳动条件差，可控性差，劳动强度大，处理时间长。真空渗硼及气体离子渗硼设备复杂、成本高，供硼源为易燃、有毒的气体，气源供给不方便等缺点。
本发明的基本思路是利用双层辉光离子渗金属技术。此技术于1985年在美国申请专利，并获批准，专利号为4520268。双层辉光离子技术在锯切工具方面的应用也申请了中国专利，专利号为87104358.0。本发明与以上两个专利有着本质的不同，美国专利4520268和中国专利87104358.0中只进行金属元素的溅射渗入，没有涉及非金属元素硼。本发明在装置上增加了热电子发射装置，利用热电子发射效应可以扩大了工作气压范围，使渗层更加均匀，可操作性更强。
三、发明内容
本发明热电子增强离子渗硼装置及工艺目的在于利用辉光放电中的空心阴极效应，将简单、方便、成本低廉、资源丰富的金属硼化物作为供给渗硼的源极，利用阴极溅射现象，将源极中硼原子溅射出来，被溅射出来的硼的粒子流吸附到与源极相对而置的工件上，在高温下扩散进入内部，从而在工作表面形成渗硼层。本发明提供了一种硼原子形成方便、快捷、渗入速度快，渗层均匀，成份可控，设备简单，成本低的辉光放电空心阴极离子渗硼技术及其装置，不仅可以实现黑色金属的渗硼，而且在有色金属上也实现了渗硼。
本发明热电子增强离子渗硼装置主要有阴极转动系统1，阴极托盘2，工件3，源极4，接地的真空容器5，直流电源系统6，抽真空系统7，进气系统8，热电子发射系统9组成。直流电源系统6由相互独立的两个高压直流电源或脉冲直流电源组成，两电源的负极分别接在工件3上和源极4上，正极都接在接地的真空容器5上；工件3放置在阴极托盘2上，源极4置于工件3周围，源极材质是固体金属硼化物；热电子发射系统9由热电子电源和发射装置构成，发射装置置于炉内空腔中。
本发明采用稀薄气体辉光放电中的等电位空心阴极效应及不等电位空心阴极效应，将金属硼化物作为供给源极，利用辉光溅射现象，将源极硼粒子溅射出来，吸附到与源极相对而置的工件上；在高温下扩散进入工件内部，从而在工作表面形成渗硼层。
本发明装置涉及的源极材质是硼铁、硼钛、硼铬、硼镍，供给渗硼所需硼原子，硼-金属共渗所需的硼、金属原子。
本发明装置涉及的热电子发射系统9独立于直流电源系统6，独立调控。
本发明装置涉及的高压直流电源，电压从0～1600V连续平稳可调；所述的脉冲直流电源电压从0～1600V连续平稳可调，占空比从0.1～0.95连续平稳可调。
本发明热电子增强离子渗硼装置的工艺，在阴极托盘2上放置工件3，周围悬挂源极4；抽真空到极限真空度后，充入氩气到工作气压，在工件3与真空容器5之间通电起辉并加热工件，在源极4与真空容器5之间通电起辉并溅射源极，视要求点燃热电子发射装置，调低炉内气压，工件到温后保温一段时间，而后降到室温；出炉取出工件，获得表面渗硼层和硼-金属共渗层；工艺参数是，真空容器的极限真空度为10-1Pa，可充入工作气体介质Ar，工作气压范围为0.67Pa～667Pa，工件温度范围为500℃～1300℃，渗硼保温时间视工艺要求而定，源极电位-400V～-1600V，工件电位-300V～-1000V。
本发明涉及的点燃热电子发射装置，将炉内工作气压调低，增大气体放电电子自由程，增大辉光鞘层厚度。
本发明涉及的渗硼层是源极材质采用的金属硼化物中的金属元属与工件的基体金属元属相同时得到，采用与工件基体金属元属不同的金属硼化物作源极材质获得硼-金属共渗层；在一切钢铁材料和有色金属的工件表面实现渗硼、硼-金属共渗。
本发明工艺过程中没有氢的出现，是无氢渗硼。
本发明的本发明的优点在于，由于工件阴极与工件阴极，工件阴极与源极，源极与源极之间的等电位空心阴极效应及不等电位空心阴极效应，强烈的离子流将源极中的硼以原子、离子或各种粒子的形式溅射出来，在工件周围形成较高的渗硼硼势，使硼原子极快的吸附在工件表面，扩散进入工件内部，形成表面渗硼层。其一采用无毒、无害的固体金属硼化物做为供硼源；其二利用辉光放电中的阴极溅射现象，将硼以原子、离子等形式溅射出来，工件表面成份依源极电流电压实现可控，直接形成渗硼层。其三，利用辉光放电现象和空心阴极效应，将物理手段施实于化学热处理中，提高了渗入速度。其四，利用热电子发射效应，扩大了工作气压范围，使渗层更加均匀，可操作性更强；其五，无毒、无害、无污染。
四、附图说明
附图1为本发明热电子增强离子渗硼装置及工艺的设备结构图。
图中标号为：
阴极转动系统1，阴极托盘2，工件3，源极4，真空容器5，直流电源系统6，抽真空系统7，进气系统8，热电子发射系统9。
五、具体实施方式
实施方式1：
如附图所示。在尺寸为80mm(直径)的钢制阴极托盘2上放置尺寸为40mm×20mm(直径×高)45钢工件3一件，周围悬挂尺寸为25mm×15mm×5mm(长×宽×厚)的6条硼铁条源极4，保证硼铁条之间、硼铁条与工件之间的距离为10cm～25cm。抽真空达10-1Pa后，充入氩气到50Pa，在工件3与真空容器5之间，加电压-500V，在硼铁源极4与真空容器5之间，加电压-1000V，待工件升温到850℃，保温2小时，降到室温，出炉取出试样。45钢工件表面渗硼层厚度0.03mm，表面硬度达1300HV。
实施方式2：
装炉同实施方式1。工件3材质是Ti6Al4V合金，源极4材质是硼铁。抽真空达10-1Pa后，充入氩气到50Pa，在工件3与真空容器5之间，加电压-400V，在硼铁源极4与真空容器5之间，加电压-800V，点燃热电子发射装置，降低炉内气压至3Pa，待工件升温到800℃，保温2小时，降到室温，出炉取出试样。Ti6Al4V合金工件表面硼-铁共渗层厚度0.01mm，表面硬度达1100HV。
实施方式3：
装炉同实施方式1。工件3材质是20钢，源极4材质是硼镍。抽真空达10-1Pa后，充入氩气到50Pa，在工件3与真空容器5之间，加电压-600V，在硼铁源极4与真空容器5之间，加电压-1200V，点燃热电子发射装置，降低炉内气压至3Pa，待工件升温到950℃，保温2小时，降到室温，出炉取出试样。20钢工件表面硼-铁共渗层厚度0.04mm，表面硬度达1000HV。

Claims (7)

1·热电子增强离子渗硼装置，其特征在于主要有阴极转动系统(1)，阴极托盘(2)，工件(3)，源极(4)，接地的真空容器(5)，直流电源系统(6)，抽真空系统(7)，进气系统(8)，热电子发射系统(9)组成；直流电源系统(6)由相互独立的两个高压直流电源或脉冲直流电源组成，两电源的负极分别接在工件(3)上和源极(4)上，正极都接在接地的真空容器(5)上；工件(3)放置在阴极托盘(2)上，源极(4)置于工件(3)周围，源极材质是固体金属硼化物；热电子发射系统(9)由热电子电源和发射装置构成，发射装置置于炉内空腔中。
2·根据权利要求1所述的热电子增强离子渗硼装置，其特征在于所述的源极材质是硼铁、硼钛、硼铬、硼镍，供给渗硼所需硼原子，硼-金属共渗所需的硼、金属原子。
3·根据权利要求1所述的热电子增强离子渗硼装置，其特征在于所述的热电子发射系统独立于直流电源系统(6)，独立调控。
4·根据权利要求1所述的热电子增强离子渗硼装置，其特征在于所述的高压直流电源，电压从0～1600V连续平稳可调；所述的脉冲直流电源电压从0～1600V连续平稳可调，占空比从0.1～0.95连续平稳可调。
5·一种使用权利要求1所述的热电子增强离子渗硼装置的渗硼工艺，其特征为：在阴极托盘(2)上放置工件(3)，周围悬挂源极(4)；抽真空到极限真空度后，充入氩气到工作气压，在工件(3)与真空容器(5)之间通电起辉并加热工件，在源极(4)与真空容器(5)之间通电起辉并溅射源极，视要求点燃热电子发射装置，调低炉内气压，工件到温后保温一段时间，而后降到室温；出炉取出工件，获得表面渗硼层和硼-金属共渗层；工艺参数是，真空容器的极限真空度为10-1pa，可充入工作气体介质Ar，工作气压范围为0.67Pa～667Pa，工件温度范围为500℃～1300℃，渗硼保温时间视工艺要求而定，源极电位-400V～-1600V，工件电位-300V～-1000V。
6·根据权利要求5所述的热电子增强离子渗硼装置的渗硼工艺，其特征在于所述的渗硼层是源极材质采用的金属硼化物中的金属元属与工件的基体金属元属相同时得到，采用与工件基体金属元属不同的金属硼化物作源极材质获得硼-金属共渗层；在一切钢铁材料和有色金属的工件表面实现渗硼、硼-金属共渗。
7·根据权利要求5所述的热电子增强离子渗硼装置的渗硼工艺，其特征在于所述的工艺过程中没有氢的出现，是无氢渗硼。
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