CN1390976A - 双辉放电无氢渗碳共渗装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
双辉放电无氢渗碳共渗装置及工艺，属于金属材料表面改性技术范畴，具体来讲是以制成特殊形状的高纯度石墨作为源极，利用辉光放电溅射原理及空芯阴极放电效应，在钢铁材料特别是钛及钛合金表面形成均匀的渗碳层，分别通入氩气、氮气、氩气和氮气的混合气体可实现，无氢渗碳、渗氮及碳氮共渗，通入氢气和氩气的混合气还可以在硅、硬度合金等基片上合成类金刚石和金刚石薄膜，具有渗速快，渗层均匀，设备简单，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明双辉放电无氢渗碳共渗装置及工艺属于金属材料等离子表面改性及离子轰击化学热处理技术领域。
背景技术
现有金属材料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十几年发展起来的真空渗碳和辉光离子渗碳等方法。但固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳有渗速慢、组织不均匀、成价不可控、污染严重、劳动条件差等缺点；可控气氛渗碳虽成份可以控制，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也存在处理时间较长设备复杂、成本高等缺点。特别是上述的渗碳方法除固体渗碳、液体渗碳外，均使用甲烷、丙烷、天然气、液化气等碳氢气体，在渗碳过程中，有碳原子、氢原子产生，在渗碳的同时，也有氢的渗入，易在欲渗金属另件的表面产生白点、点状偏析、氢脆等缺陷，使金属材料的抗拉强度、塑性、韧性等力学性能降低，特别是钛及钛合金吸氢能力很强，氢的渗入造成很大的内应力，并能形成脆性的氢化物，在钛及钛合金表面出现表面裂纹、脱皮、断裂等现象，严重的影响钛材的渗碳质量。所以钛及钛合金的无氢渗碳、无氢氮化是多年来许多学者十分重视的研究课题，太原理工大学发明的“弧光离子渗碳与共渗技术及其装置”(专利号：ZL91102088.8)，虽可以实现无氢渗碳，但由于石墨电弧的稳定性差，一直难于向产业化发展。
由于钛合金具有比强度高、耐蚀性能好、中低温性能好，因而在航空、航天、化工、电力、海洋、医疗等领域得到广泛的应用，而且作为尖端科学技术材料，将具有强大的生命力，但钛合金存在表面强度不高耐磨性差等不足，所以国内外学者对钛合金的表面强化的研究十分重视，其中钛及钛合金的无氢渗碳、无氢氮化就是研究的课题之一。
发明内容
本发明双辉放电无氢渗碳共渗装置及工艺目的在于，是利用辉光放电阴极溅射原理及空芯阴极效应，使特殊形状石墨源极内产生高密度的碳离子流，实现金属表面，特别是吸氢能力强的钛及钛合金表面无氢渗碳、氮化及无氢碳氮共渗提供一种新装置及新工艺。从而实现无氢渗碳、渗氮及无氢碳氮共渗，不仅实用于钢铁材料，更适用于钛及钛合金的表面强化。
本发明双辉放电无氢渗碳共渗装置其特征在于，是在真空度1×10-2～5×10-2Pa并能充入气体介质的真空容器3内，设有石墨源极1、阳极2，可以转动的工件托盘系统，抽气系统、供气和测温系统、送气系统和转动的工件托盘系统，转动的工件托盘系统由工件托盘8、欲渗工件7和转动机构11组成，抽气系统由机械泵10和扩散泵9组成，测温系统由测温仪6和观察窗5组成，送气系统由供气源4和进气口14组成，欲渗工件7置于阴极托盘8上，石墨源极1置于欲渗工件7的正上方，阳极2位于石墨源极的上方，在阳极2和欲渗工件7之间连接一个可调的0～1200V直流负偏压电源12，在阳极2和石墨源极1之间连接一个可调的0～1200V直流电源13，石墨源极1是由不同形状、尺寸的高纯度石墨制成，石墨源极1和欲渗工件(7)之间保持一定的距离。
所述的石墨源极1的形状，是网状、格栅状、刷子状、锯齿状和带孔的平板状，石墨网状之间的距离为15～30mm，高度为40～50mm，面积大小由欲渗工件多少而定。所述的石墨源极1与欲渗工件7之间的距离为10～50mm。
采用上述的双辉放电无氢渗碳共渗装置进行无氢渗碳共渗的工艺为，首先由抽气系统的机械泵10、扩散泵9将真空室3抽至高真空，极限真空度为1×10-2Pa～5×10-2Pa，而后由供气系统4充入惰性气体氩气，接着由石墨源极1供电的直流电源13，工件偏压电源12，分别供给电压，石墨源极1和欲渗工件7清洗净化后增加气压，此时在网状石墨源极1内产生高密度的碳粒子流，在欲渗工件7负偏压的吸引下高速轰击欲渗工件7表面，依靠碳粒子轰击与扩散碳渗入工件内部形成均匀的渗碳层，渗氮时停止通入氩气，打开氮气瓶阀门，供给高纯度氮气(99.99％)，工作气压为20～100Pa，重复上述过程，可实现无氢渗氮，若通入氩气和氮气的混合气，比例分别为：2∶8、3∶7、5∶5，压力为20～100Pa时，重复上述过程可以实现无氢碳氮共渗，通入的气体为氢气和氩气的混合气，可合成类金刚石和金刚石薄膜。
所述的欲渗工件为金属材料，特别是对氢气敏感的吸氢较强的钛及钛合金。
所述欲渗工件7，渗碳、渗氮、碳氮共渗的温度为800～1000℃，欲渗工件7偏压为400～700V，石墨源极电压为700～1000V，工作气压为20～100Pa。
在基片的材料为Si、硬质合金、W、Mo、Ti等材料表面以及普通碳钢经离子渗镀W、Mo、Ti后的表面，实现合成类金刚石和金刚石薄膜时通入的气体为氢气和氩气的混合气，分压为100～500Pa，石墨源极电压为800～1200V，石墨源极温度为2000℃以上，基片温度为800～1000℃，偏压为50～300V。
附图说明
图1 双辉放电无氢渗碳与共渗装置及工艺图1.石墨源极； 2.阳极； 3.真空室； 4.供气源； 5.观察窗； 6.测温仪； 7.工件； 8.工件托盘； 9.扩散泵； 10.机械泵； 11.转动机构；12.工件偏压电源； 13.石墨源极电源； 14.进气口。图2石墨源极形状示意图1.极栅状 2.刷子状 3.锯齿状 4.带孔板状
具体实施方式
下面结合附图给出最佳实施方式：
渗氮时停止通入氩气，打开氮气瓶阀门，供给高纯度氮气(99.99％)，分压为20Pa，重复上述过程，可实现无氢渗氮。若通入氩气和氮气的混合气，比例分别为：2∶8、3∶7、5∶5，压力为20～100Pa时，重复上述过程可以无氢碳氮共渗。
以20钢渗碳为例：氩气分压20～100Pa，石墨源极电压为700～1000V，工件偏压为400～700V，工件温度为950℃，保温1～3小时，渗层厚度为50～500μm，表面碳浓度为0.95％。钛及钛合金无氢渗碳时氩分压为20～100Pa，石墨源极电压700～1000V，工件负偏压400～700V，工件温度900℃，保温1～3小时，渗层厚度为20～100μm，在钛及其合金表面形成TiC耐磨层。
合成类金刚石和金刚石薄膜时，通入氢气和氩气的混合气，分压为100～500Pa，石墨源极电压为800～1200V，石墨源极温度为2000℃以上，硅等基片的温度为800～1000℃，偏压为50～300V。
Claims (7)
1、一种双辉放电无氢渗碳共渗装置其特征在于，是在真空度1×10-2～5×10-2Pa并能充入气体介质的真空容器(3)内，设有石墨源极(1)、阳极(2)，可以转动的工件托盘系统，抽气系统、供气和测温系统、送气系统和转动的工件托盘系统，转动的工件托盘系统由工件托盘(8)、欲渗工件(7)和转动系统(11组成)，抽气系统由机械泵(10)和扩散泵(9)组成，测温系统由测温仪(6)和观察窗(5)组成，送气系统由供气源(4)和进气口(14)组成，欲渗工件(7)置于阴极托盘(8)上，石墨源极(1)置于欲渗工件(7)的正上方，阳极(2)位于石墨源极的上方，在阳极(2)和欲渗工件(7)之间连接一个可调的0～1200V直流负偏压电源(12)，在阳极(2)和石墨源极(1)之间连接一个可调的0～1200V直流电源(13)，石墨源极(1)是由不同形状、尺寸的高纯度石墨制成，石墨源极(1)和欲渗工件(7)之间保持一定的距离。
2.按照权利要求1，所述的一种双辉放电无氢渗碳共渗装置，其特征是所述的石墨源极(1)的形状，是网状、格栅状、刷子状、锯齿状和带孔的平板状，石墨网状之间的距离为15～30mm，高度为40～50mm，面积大小由欲渗工件多少而定。
3.按照权利要求1所述的一种双辉放电无氢渗碳共渗装置，其特征是所述的石墨源极(1)与欲渗工件(7)之间的距离为10～50mm。
4.采用上述的一种双辉放电无氢渗碳共渗装置的工艺，其特征是，首先由抽气系统的机械泵(10)、扩散泵(9)将真空室(3)抽至高真空，极限真空度为1×10-2Pa～5×10-2Pa，而后由供气系统(4)充入惰性气体氩气，接着由石墨源极(1)供电的直流电源(13)，工件偏压电源(12)，分别供给电压，石墨源极(1)和欲渗工件(7)清洗净化后增加气压，此时在网状石墨源极(1)内产生高密度的碳粒子流，在欲渗工件(7)负偏压的吸引下高速轰击欲渗工件(7)表面，依靠碳粒子轰击与扩散碳渗入工件内部形成均匀的渗碳层，渗氮时停止通入氩气，打开氮气瓶阀门，供给高纯度氮气(99.99％)，分压为20～100Pa，重复上述过程，可实现无氢渗氮，若通入氩气和氮气的混合气，比例分别为：2∶8、3∶7、5∶5，压力为20～100Pa时，重复上述过程可以实现无氢碳氮共渗，通入的气体为氢气和氩气的混合气，可合成类金刚石和金刚石薄膜。
5.按照权利要求4所述的一种双辉放电无氢渗碳共渗工艺，其特征在于所述的欲渗工件为金属材料，特别是对氢气敏感的吸氢较强的钛及钛合金。
6.按照权利要求4所述的一种双辉放电无氢渗碳共渗工艺，其特征在于所述欲渗工件(7)，渗碳、渗氮、碳氮共渗的温度为800～1000℃，欲渗工件(7)偏压为400～700V，石墨源极电压为700～1000V，工作气压为20～100Pa。
7.按照权利要求4所述的一种双辉放电无氢渗碳共渗工艺，其特征在于在基片的材料为Si、硬质合金、W、Mo、Ti等材料表面以及普通碳钢经离子渗镀W、Mo、Ti后的表面，实现合成类金刚石和金刚石薄膜时通入的气体为氢气和氩气的混合气，分压为100～500Pa，石墨源极电压为800～1200V，石墨源极温度为2000℃以上，基片温度为800～1000℃，偏压为50～300V。
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