CN1752274A - 一种实现等离子体升温注渗的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种实现等离子体升温注渗的方法及其装置，它属于等离子体基离子注入的技术领域，它是为了解决现有的注渗工艺过程中只依靠等离子体的注入对工件加热而使注渗工艺参数难以选择的问题。本发明的红外测温装置5的信号输入端连接真空室10的温度测试口，5的输出端连接辅助热源控制器6的输入端，6的输出端连接辅助热源4的输入端，热阻调节块2固定在工作台11和水冷电极装置3之间；其方法是通过2和3将工件1的温度冷却到设定的注渗温度以下，然后通过5反馈的工件温度来控制6调节4的输出功率，利用4使工件处于设定的注渗温度下。通过本发明可以对工件实现在200～500℃内任意注渗温度下的升温注渗处理，使升温注渗工艺的设计具有极大的灵活性和重复可控性。
Description
技术领域
本发明属于等离子体基离子注入的技术领域，具体涉及一种实现升温注渗工艺的方法及装置。
背景技术
等离子体升温注渗是为了克服普通等离子体基离子注入改性层较浅(＜0.1μm)的缺点而发展起来的一种新工艺技术。等离子体升温注渗是在一定温度下(一般在200～500℃)对工件进行等离子体基离子注入的方法。高能离子在注入工件时会使工件表层产生大量的缺陷，当工件温度较低时，注入离子和缺陷的活动能力很差，这时改性层很浅；当工件的温升达到一定值后，注入离子和缺陷的活动能力增加，注入离子向工件内部扩散能力极大加强，使改性层厚度极大增加。等离子体升温注渗技术有机地将离子注入和扩散相结合，可以在相对温度较低地条件下和较短的时间内获得厚的表面改性层。
在离子注入过程中，高能离子注入样品，最终留在工件内，高能离子的动能转化为热能，使工件的温度升高，这部分能量可以作为一个热源。但是离子注入对工件的加热能力随工艺参数(注入电压和电流密度)的变化而变化，仅仅依靠离子注入能量对工件加热，会对升温注渗工艺参数选择产生很大的限制，如在低注入电压和低注入电流时，离子注入热效应很小，无法实现较高温度的注渗；而在高注入电压和高注入电流的条件下，离子注入的热效应很强，可能使工件的温度超过预定温度。因此要实现灵活控制等离子体升温注渗工艺，需要设计附加装置，而附加的装置是否合理是升温注渗技术能否有效实现的关键。
发明内容
为了解决现有的注渗工艺过程中只依靠等离子体的注入对工件加热而使注渗工艺参数难以选择的问题，本发明提供了一种实现等离子体升温注渗的方法及其装置。本发明的方法通过以下步骤来实现：一、测算在选定离子注渗电压和电流的面密度的条件下工件的温升，注渗电压的选择范围为5～50KV(千伏)，注渗电流的面密度为0.01～0.2mA/cm2(毫安每平方厘米)；二、依据第一步测算的工件的温升选择热阻调节块的材质和形状，用以保证水冷电极装置在注渗的过程中能把工件的温度冷却到设定的注渗温度以下，注渗温度的选择范围为200～500℃(摄氏度)；三、将工件呈水平放置，工件的一端固定在工作台的内端面上，并且将工件需要改性的一面面向真空室的等离子体输入口；四、将辅助热源的辐射面面向工件的另一端；五、在对工件进行常规注渗处理的过程中，用红外测温装置实时监测工件的温度，当水冷电极装置将工件的温度冷却到设定的注渗温度以下时，辅助热源控制器根据红外测温装置的反馈温度信号调节辅助热源的加热功率，使工件的温度上升到设定的注渗温度。本发明的装置包括真空室、射频等离子发生器、高压脉冲电源和工作台，射频等离子发生器的等离子体输出端连接真空室的等离子体输入口，它还包括红外测温装置、辅助热源控制器、辅助热源、热阻调节块和水冷电极装置，红外测温装置的探测信号输入端连接真空室的温度测试口，红外测温装置的信号输出端连接辅助热源控制器的信号输入端，辅助热源控制器的控制信号输出端连接辅助热源的控制信号输入端，热阻调节块固定在工作台和水冷电极装置之间，辅助热源、热阻调节块及工作台处于真空室内，水冷电极装置的首端处于真空室内，处于水冷电极装置的末端固定在真空室的室壁上，并且水冷电极装置的末端电极连接高压脉冲电源的输出端。
在方法的第一步测算时，利用能量守恒原理计算真空室内的能量转换可得，Wrh-wcl＝σ×S×T4-IV，其中Wrh为辅助热源的加热功率、Wcl为热阻调节块及水冷电极装置的传导散热功率、σ为斯忒芬常数、S为辅助热源的辐射表面积、T为工件温升、I为注渗的平均电流、V为注渗电压，根据上述公式进行热平衡计算，可以获得注渗电压和注渗温度与工件温升之间的对应关系(如图5所示)以及热阻调节块的热阻与注渗电压之间的关系曲线(如图4所示)；由图5可见，在不同的注渗参数下，随着等离子体的注入，工件的温度趋于不变，因此可以依据选定的注渗参数和图5来估算工件的温升；由图4可见，热阻调节块的热阻选择范围为0.55～47.6K/W(开每瓦)，依据注渗电压即可选择热阻调节块的热阻并确定热阻调节块的尺寸大小，热阻调节块的材质可以是铜、钢、铝及其合金等。根据热平衡计算可以得到一个总的依据：在高温低注渗电压时，需要辅助热源提供的功率比离子注入的轰击功率高，而在低温高注渗电压时则需要热阻调节块及水冷电极装置有很强的热传导散热能力。为了避免在选择热阻调节块时的复杂计算，可以选择导热性能最好的材料，那么，通过调节辅助热源也可以使工件的注渗过程维持在设定的注渗温度。本发明通过调整辅助热源的输出功率和水冷热阻可调电极(它由热阻调节块和水冷电极装置构成)的冷却能力，结合离子注渗工艺参数实现工件温度控制。
发明效果：通过本发明可以对工件实现在200～500℃内任意注渗温度下的升温注渗处理，使升温注渗工艺的设计具有极大的灵活性和重复可控性。本发明的注渗处理后的工件，其耐磨性和耐腐蚀性提高为原来的十几倍，可以用于各种在高速、高温和重载条件下工作的精密传动耐磨件，尤其是在极端条件下工作的航空航天精密零件以及各种难加工材料的切削刀具等。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；图2为图1中水冷电极装置3的纵剖面示意图；图3为图1中热阻调节块2的纵剖面示意图；图4为各种温度下热阻调节块2的热阻值与注渗电压的关系曲线；图5为等离子体注渗温度与注入时间的关系曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1和图2，本具体实施方式的装置由真空室10、射频等离子发生器7、高压脉冲电源9、工作台11、红外测温装置5、辅助热源控制器6、辅助热源4、热阻调节块2和水冷电极装置3组成，射频等离子发生器7的等离子体输出端连接真空室10的等离子体输入口，红外测温装置5的探测信号输入端连接真空室10的温度测试口，红外测温装置5的信号输出端连接辅助热源控制器6的信号输入端，辅助热源控制器6的控制信号输出端连接辅助热源4的控制信号输入端，热阻调节块2固定在工作台11和水冷电极装置3之间，辅助热源4、热阻调节块2及工作台11处于真空室10内，水冷电极装置3的首端处于真空室10内，水冷电极装置3的末端固定在真空室10的室壁上，并且水冷电极装置3的末端电极3-2-1连接高压脉冲电源9的输出端。
具体实施方式二：参见图1和图2，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点为：所述水冷电极装置3由绝缘密封套3-1、金属筒3-2、绝缘活塞3-3、进水管3-4和出水管3-5组成，绝缘活塞3-3上设有两个通孔，进水管3-4和出水管3-5的一端分别通过所述绝缘活塞3-3上的两个通孔插入到金属筒3-2内，金属筒3-2的一端密封，金属筒3-2的另一端与绝缘活塞3-3的侧表面密封连接，金属筒3-2的侧表面和绝缘活塞3-3的外端面包裹有绝缘密封套3-1，金属筒3-2的另一端设有末端电极3-2-1且末端电极3-2-1裸露在绝缘密封套3-1的外侧并与高压脉冲电源9的输出端相连，进水管3-4和出水管3-5的另一端也裸露在绝缘密封套3-1的外侧，热阻调节块2固定在工作台11的外端面和金属筒3-2的密封端面之间。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。水从进水管3-4进入到金属筒3-2中用以吸收热阻调节块2通过工作台11传递的工件1的热能。
具体实施方式三：参见图2和图3，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点为：所述热阻调节块2为中空的圆筒，所述圆筒的右端面开有一个第一通孔2-1，所述圆筒的左端面开有一个第二通孔2-2，所述热阻调节块2的长度L为30～100毫米，所述热阻调节块2的圆筒内径D为15～34毫米。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。通过改变热阻调节块2的尺寸可以调节它的热传导性能。
具体实施方式四：参见图1和图2，本具体实施方式与具体实施方式三的不同点为：它还包括连接螺杆12，工作台11的外端面中心开有一个螺纹孔，所述工作台11的外端面的螺纹孔与连接螺杆12的一端固定连接，水冷电极装置3的金属筒3-2的密封端面设有一个凹孔3-2-2且所述凹孔3-2-2内设有内螺纹，连接螺杆12的另一端通过热阻调节块2的第一通孔2-1和第二通孔2-2与金属筒3-2的凹孔3-2-2固定连接。其他组成和连接关系与具体实施方式三相同。通过螺杆连接使装置易于安装与拆卸。
具体实施方式五：参见图1和图2，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点为：它还包括支撑杆8，辅助热源4固定在支撑杆8的上端，并且辅助热源4的辐射面面向工件1。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：参见图1和图2，本具体实施方式与具体实施方式二的不同点为：所述绝缘密封套3-1的外表面设有法兰3-1-1，法兰3-1-1与真空室10的室壁固定连接。其他组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点为：所述辅助热源4是带反射装置的低压高功率碘钨灯。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。所述辅助热源4的输出功率为0～1800W；可以用相互并联的6个100W/25V碘钨灯来实现。
具体实施方式八：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点为：所述热阻调节块2的材质可以是铜、钢、铝以及它们的合金等具有导热性能的材料。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：参见图1，采用具体实施方式一的装置，本具体实施方式的方法按以下步骤进行：一、测算在选定离子注渗电压和电流的面密度的条件下工件1的温升，注渗电压的选择范围为5～50KV，注渗电流的面密度为0.01～0.2mA/cm2；二、依据第一步测算的工件1的温升选择热阻调节块2的材质和形状，用以保证水冷电极装置3在注渗的过程中能把工件1的温度冷却到设定的注渗温度以下，注渗温度的选择范围为200～500℃；三、将工件1呈水平放置，工件1的一端固定在工作台11的内端面上，并且将工件1需要改性的一面面向真空室10的等离子体输入口；四、将辅助热源4的辐射面面向工件1的另一端；五、在对工件1进行常规注渗处理的过程中，用红外测温装置5实时监测工件1的温度，当水冷电极装置3将工件1的温度冷却到设定的注渗温度以下时，辅助热源控制器6根据红外测温装置5的反馈温度信号调节辅助热源4的加热功率，使工件1的温度上升到设定的注渗温度。所述热阻调节块2的热阻选择范围为0.55～47.6K/W。
具体实施方式十：本具体实施方式与具体实施方式九的不同点是：对纯铁工件进行注渗处理，经过4小时处理后，工件改性层的厚度可达300μm，且改性层的耐磨性提高为原来的2倍，工艺参数的选择如下表所示：
| 注渗电压(KV) | 注渗电流的面密度(mA/cm2) | 注渗温度(℃) | 热阻调节块的参数 | ||
| D(mm) | L(mm) | 材料 | |||
| 5 | 0.1 | 300 | 24 | 40 | 1Cr18Ni9Ti |
| 25 | 0.1 | 360 | 25 | 40.5 | 40Cr |
| 45 | 0.1 | 420 | 35.5 | 100 | H62黄铜 |
具体实施方式十一：本具体实施方式与具体实施方式九的不同点是：对不锈钢工件进行注渗处理，注渗温度为200～300℃，注渗电流的面密度为0.1mA/cm2，注渗电压为25KV，经过4小时处理后，工件改性层的厚度可达9μm，表面纳米硬度由3GPa(吉帕)提高到18GPa，且干摩擦条件下，工件改性层的耐磨性提高了20倍、耐腐蚀性提高了6倍。其他步骤与具体实施方式九相同。
具体实施方式十二：本具体实施方式与具体实施方式十一的不同点是：对M50钢工件进行注渗处理，经过4小时处理后，工件改性层的厚度超过20μm，表面纳米硬度由8GPa提高到16GPa，且工件改性层的耐磨性提高了5倍。其他步骤与具体实施方式十一相同。
Claims (9)
1、一种实现等离子体升温注渗的方法，其特征在于它按以下步骤进行：一、测算在选定离子注渗电压和电流的面密度的条件下工件(1)的温升，注渗电压的选择范围为5～50KV，注渗电流的面密度为0.01～0.2mA/cm2；二、依据第一步测算的工件(1)的温升选择热阻调节块(2)的材质和形状，用以保证水冷电极装置(3)在注渗的过程中能把工件(1)的温度冷却到设定的注渗温度以下，注渗温度的选择范围为200～500℃；三、将工件(1)呈水平放置，工件(1)的一端固定在工作台(11)的内端面上，并且将工件(1)需要改性的一面面向真空室(10)的等离子体输入口；四、将辅助热源(4)的辐射面面向工件(1)的另一端；五、在对工件(1)进行常规注渗处理的过程中，用红外测温装置(5)实时监测工件(1)的温度，当水冷电极装置(3)将工件(1)的温度冷却到设定的注渗温度以下时，辅助热源控制器(6)根据红外测温装置(5)的反馈温度信号调节辅助热源(4)的加热功率，使工件(1)的温度上升到设定的注渗温度。
2、一种实现等离子体升温注渗的装置，包括真空室(10)、射频等离子发生器(7)、高压脉冲电源(9)和工作台(11)，射频等离子发生器(7)的等离子体输出端连接真空室(10)的等离子体输入口，其特征在于它还包括红外测温装置(5)、辅助热源控制器(6)、辅助热源(4)、热阻调节块(2)和水冷电极装置(3)，红外测温装置(5)的探测信号输入端连接真空室(10)的温度测试口，红外测温装置(5)的信号输出端连接辅助热源控制器(6)的信号输入端，辅助热源控制器(6)的控制信号输出端连接辅助热源(4)的控制信号输入端，热阻调节块(2)固定在工作台(11)和水冷电极装置(3)之间，辅助热源(4)、热阻调节块(2)及工作台(11)处于真空室(10)内，水冷电极装置(3)的首端处于真空室(10)内，水冷电极装置(3)的末端固定在真空室(10)的室壁上，并且水冷电极装置(3)的末端电极(3-2-1)连接高压脉冲电源(9)的输出端。
3、根据权利要求2所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于所述水冷电极装置(3)由绝缘密封套(3-1)、金属筒(3-2)、绝缘活塞(3-3)、进水管(3-4)和出水管(3-5)组成，绝缘活塞(3-3)上设有两个通孔，进水管(3-4)和出水管(3-5)的一端分别通过所述绝缘活塞(3-3)上的两个通孔插入到金属筒(3-2、)内，金属筒(3-2)的一端密封，金属筒(3-2)的另一端与绝缘活塞(3-3)的侧表面密封连接，金属筒(3-2)的侧表面和绝缘活塞(3-3)的外端面包裹有绝缘密封套(3-1)，金属筒(3-2)的另一端设有末端电极(3-2-1)且末端电极(3-2-1)裸露在绝缘密封套(3-1)的外侧并与高压脉冲电源(9)的输出端相连，进水管(3-4)和出水管(3-5)的另一端也裸露在绝缘密封套(3-1)的外侧，热阻调节块(2、)固定在工作台(11)的外端面和金属筒(3-2)的密封端面之间。
4、根据权利要求2所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于所述热阻调节块(2)为中空的圆筒，所述圆筒的右端面开有一个第一通孔(2-1)，所述圆筒的左端面开有一个第二通孔(2-2)，所述热阻调节块(2)的长度(L)为30～100毫米，所述热阻调节块(2)的圆筒内径(D)为15～34毫米。
5、根据权利要求2所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于它还包括支撑杆(8)，辅助热源(4)固定在支撑杆(8)的上端，并且辅助热源(4)的辐射面面向工件(1)。
6、根据权利要求2所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于所述辅助热源(4)是带反射装置的碘钨灯。
7、根据权利要求2所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于所述热阻调节块(2)的材质是铜、钢、铝以及它们的合金中的一种。
8、根据权利要求2、3或4所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于它还包括连接螺杆(12)，工作台(11)的外端面中心开有一个螺纹孔，所述工作台(11)的外端面的螺纹孔与连接螺杆(12)的一端固定连接，水冷电极装置(3)的金属筒(3-2)的密封端面设有一个凹孔(3-2-2)且所述凹孔(3-2-2)内设有内螺纹，连接螺杆(12)的另一端通过热阻调节块(2)的第一通孔(2-1)和第二通孔(2-2)与金属筒(3-2)的凹孔(3-2-2)固定连接。
9、根据权利要求3所述的一种实现等离子体升温注渗的装置，其特征在于所述绝缘密封套(3-1)的外表面设有法兰(3-1-1)，法兰(3-1-1)与真空室(10)的室壁固定连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080806 Termination date: 20111031 |