CN1904134A - 空心阴极离子渗金属装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心阴极离子渗金属装置，它包括真空渗金属室，与渗金属室相连接的充气管路和抽真空机组，位于渗金属室的阳极板、装有渗金属材料的阴极筒、工件；直流偏压电源和空心阴极放电电源；其特征在于：渗金属材料与工件相互分离，渗金属材料和阴极筒作为第一阴极，工件作为第二阴极，阳极板位于第一阴极的一端或两端与第一阴极相对应的位置，阳极板与第一阴极组成独立工作的空心阴极组件。大截面筒管工件，其内腔作为渗金属室。该装置结构简单，被渗工件与渗入材料两者电位能单独调节，用于各种尺寸的机械零件及钢板、钢管工件的渗金属。

Description

空心阴极离子渗金属装置

技术领域    本发明属于金属材料表面改性处理技术范畴，具体地说是一种空心阴极离子渗金属装置。

背景技术    在各种工业应用中，金属零部件的表面性能，如硬度、耐磨性、耐腐蚀性等对机器设备具有十分重要的意义。金属材料的表面改性是通过改变材料表面的成份、金相结构来改变它们的功能。至今已发展出许多表面改性方法，如辉光离子氮化、离子镀膜等，这些方法在生产上得到了广泛应用，并且正在进行深入研究，目前这些技术所处理的金属表面层或沉积的金属表面层所形成的表面合金层都比较薄。

离子渗金属技术是一种新的表面合金化方法，在我国，离子渗金属技术的研究始于上世纪八十年代初，近十年来才得到了发展。它是利用气体辉光放电原理把欲渗的金属材料和被渗工件加热到高温的同时，通过粒子扩散过程，把各种金属或/和非金属，如钨、钼、铬、钛、镍、石墨等渗入到普通钢或其它金属的工件中去，在工件的表面形成一层较厚的合金层，可达几十微米到几百微米厚，以改变这些工件材料的物理、化学性能，大大强化金属表面，延长它们的使用寿命。另外，由于稀有金属、贵金属的不断减少及其成本的不断提高，用尽可能少的这类金属元素渗入到零件中去，进而提高其耐温、耐磨、耐蚀性能，使其不易损坏，可以达到节省材料、降低成本之目的。

公开号为CN85106757A，名称为“强光离子渗金属及其方法”的中国发明专利，公开了一种后来被业内称之为桶形阴极渗金属设备，该设备的电极主要由阳极和阴极组成，它把工件和欲渗入金属的碎片一起放入一端开口的桶形阴极靶内，三者处于同一电位，此装置对渗入金属种类不受限制，在渗金属过程中，不需要附加的加热源对工件进行加热。但当辉光放电发生以后，由于碎片形或螺旋形的渗入金属是和工件放在一起，它们都处于很高、但不一定均匀的温度下，工件会产生变形，并且渗层厚度在工件表面各点处可能不均匀。

以公开号CN85102057A，名称为“等离子表面冶金方法及设备”的中国发明专利为代表的多项专利，采用双层辉光离子渗金属技术，在阳极与阴极之间增加了源极，把渗入金属与被渗工件分开了，但由于电极组合的结构形式及其尺寸所限制，它只能处理一些小尺寸的工件，而且金属渗入效率比较低。

发明内容本发明要解决的技术问题在于提供一种能将渗入金属与被渗工件分开、两者的温度能分别控制、两者的电位能够分别调节、被渗工件温度均匀的空心阴极离子渗金属装置。

为了解决所述技术问题，本发明采取的第一技术方案是：一种空心阴极离子渗金属装置，包括真空的渗金属室，与渗金属室相连接的充气管路和抽真空机组，位于渗金属室的阳极板、装有渗金属材料的阴极筒、工件，直流偏压电源和空心阴极放电电源；其特征在于：渗金属材料与工件相互分离，渗金属材料和阴极筒作为第一阴极，工件作为第二阴极，阳极板位于第一阴极的一端或两端与第一阴极相对应的位置，阳极板与第一阴极组成独立工作的空心阴极组件，直流偏压电源的负极与第二阴极相接，空心阴极放电电源的负极与第一阴极相接，直流偏压电源的正极和空心阴极放电电源的正极均与阳极板相连接。

对于较长大管孔的筒管状工件的内表面渗金属，本发明采取的第二技术方案是：一种空心阴极离子渗金属装置，包括充气管路、抽真空机组，阳极板，装有渗金属材料的网状阴极筒、工件，直流偏压电源和空心阴极放电电源，其特征在于：筒管状工件内腔是渗金属室，渗金属材料和阴极筒作为第一阴极，工件作为第二阴极，阳极板位于第一阴极的一端或两端与第一阴极相对应的位置，阳极板与第一阴极组成独立工作的空心阴极组件，直流偏压电源的负极与第二阴极相接，空心阴极放电电源的负极与第一阴极相接，直流偏压电源的正极和空心阴极放电电源的正极均与阳极板相连接，阳极板，渗金属材料位于筒管状工件内腔，充气管路、抽真空机组与筒管状工件内腔相连接。

本发明的空心阴极离子渗金属装置，所述的渗金属材料是螺旋状金属丝或是管状、柱形、条形料；容纳渗金属材料的容器即阴极筒，是与渗金属材料相同材质的金属网筒或金属筒。

本发明的实质在于阳极与第一阴极组成独立工作的空心阴极组件，作为第二阴极的被渗工件与作为渗金属材料来源的第一阴极是彼此分开的。在真空状态下，利用空心阴极组件的空心阴极放电效应，把渗金属材料的原子溅射出来。由于作为第二阴极的被渗工件与作为渗金属材料来源的第一阴极是彼此分开的，两者的电位能单独调节，将被渗工件处于比第一阴极更负的电位，使溅射出来的金属材料的原子被电离，加速到达工件、扩散进入已被加热的工件表面内，实现渗金属过程。也由于两者的电位能单独调节，两者处于受控状态，通过调节阳极与第一阴极之间的电压和阳极与第二阴极之间的电压，来实现渗金属或者镀膜，从而在工件表面的一定深度内或/和在工件表面覆盖上具有特殊物理、化学性能的合金层，其厚度可达几十微米到几百微米。

也由于作为第一阴极的阴极筒和均匀排列的渗金属材料与作为第二阴极的被渗工件在空间位置上是彼此分开的，通过空心阴极放电电源和直流偏压电源分别对第一阴极和第二阴极的电压单独进行调节，因此，工件的加热温度是均匀的、可以控制的。另外，渗金属材料的数量可以增多，容纳它们的阴极筒，即金属桶或金属丝网筒的截面尺寸可以增大，从而本发明的空心阴极组件的放电功率可以增大很多，功率范围可从几千瓦到几百千瓦。

本发明的优点：

1、本发明的空心阴极离子渗金属装置结构简单，容纳的渗金属材料多，空心阴极放电时产生的金属溅射量大，使用寿命长，金属渗入效率高，放电功率范围可从几千瓦到几百千瓦。

2、工件加热不需要附加的电阻加热源，对渗透入的金属也不需要另外的离化源。

3、既可以对不同尺寸的机械零件表面进行渗金属处理，又可以对长度尺寸较大的，比如低价格的碳钢钢板、钢轨等材料外表面渗金属处理，还可以对管材的内壁进行渗金属处理；不但能够渗入各种不同的金属，还能够渗入各种不同的导电非金属；既能够渗入单一元素，也能够渗入多种元素；从而得到具有特殊物理、化学性能、表面合金化、高价值的零件或材料，具有广泛的适应性和良好的经济效益。

附图说明    图1是本发明用于工件外表面渗金属的结构示意图，

            图2是本发明用于较长工件外表面渗金属的结构示意图，

        图3是本发明用于工件内表面渗金属的结构示意图，

        图4是本发明用于较长工件内表面渗金属的结构示意图。

图中：1-阳极，2-装有渗金属材料的阴极筒，也叫第一阴极，3-工件，也叫第二阴极，4-工件支座，5-直流偏压电源，6-空心阴极放电电源，7-渗金属室，8-抽真空机组，9-充气管路，10-阴极支座，11-旋转机构，12-过渡真空室。

具体实施方式  实施例1    如图1所示：这是一种用于对工件的外表面进行渗金属的空心阴极离子渗金属装置，它包括真空的渗金属室7，与渗金属室7相连接的充气管路9和抽真空机组8，位于渗金属室7内的阳极板1、渗金属材料和阴极筒2、工件3、工件支座4，直流偏压电源5和空心阴极放电电源6；装有渗金属材料的阴极筒2与工件3相互分离，工件3放置在位于装有渗金属材料的阴极筒2中央的工件支座4上，工件支座4与工件3电位相同，装有渗金属材料的阴极筒2与渗金属材料电位相同；渗金属材料和阴极筒作为第一阴极，工件3作为第二阴极，阳极板1位于第一阴极2的上方与第一阴极2相对应的位置，阳极1与第一阴极2组成独立工作的空心阴极组件，直流偏压电源5的负极与第二阴极3相接，空心阴极放电电源6的负极与第一阴极2相接，直流偏压电源5的正极和空心阴极放电电源6的正极均与阳极板1相连接。该装置采用立式结构，即渗金属室7和空心阴极组件垂直布置，对于具有较大孔径而孔深较浅杯形或通孔的零件，其内孔渗金属也可在本实施例的空心阴极离子渗金属装置上进行。

作为本发明的完善，工件支座4与旋转机构11连接，由旋转机构11带动，使工件3处于旋转状态，进一步增强工件3表面渗金属层的均匀度。

用于渗入一种金属，装有渗金属材料的阴极筒2是由与渗金属材料材质相同的两端开口的筒管制作，也可以由与渗金属材料材质相同的金属网制作；如用于渗入两种以上的金属，渗金属材料可以是两种以上材质，阴极筒2可与其中的一种渗金属材料相同；渗金属材料可以制作成图1中所示的螺旋状金属丝挂在两端开口的阴极筒2上，也可以制作成圆管形、柱形、条形挂在阴极筒2上，或插在螺旋状金属丝中间；第一阴极2可以是金属材料与非金属导电材料的相间体，如在螺旋状金属丝中间插入柱形、条形的非金属导电材料，使被渗件表面获得金属与非金属混合的合金层。

阳极板1是圆环形板或方框形板，也可以是实心板。

实施例2    图2示出本发明用于较长工件外表面渗金属的结构示意图；对于较长工件的外渗，如钢板、钢管、钢轨或其它金属板、金属带等的外渗，本发明可采用图2所示的卧式结构，即渗金属室7和空心阴极组件水平布置。在渗金属室7安装一个或二个及以上的(图中示出一个)空心阴极组件，在渗金属室7的两端分别连接二至六个的过渡真空室12，图2所示的渗金属室7的两端分别连接两个过渡真空室12，较长工件3位于阴极筒2中央位置，阴极筒2上挂有螺旋状渗金属材料，阳极板1位于第一阴极2的左端与第一阴极2相对应的位置，直流偏压电源5与空心阴极放电电源6的连接方式等与实施例1相同。本实施例配套有工件移动装置或渗金属室7与过渡真空室12的移动装置(图中未示出)；渗金属时，长形工件3移动，从大气开始进入左端的过渡真空室12，经过渗金属室7再进入右端的过渡真空室12，完成渗金属后在回到大气中去；工件支座4位于连接有过渡真空室12的渗金属室7的室外(图中未示出)。当然也可以是长形工件3固位不动，将连接有过渡真空室12的渗金属室7整体移动。渗金属过程可以不受工件3长度的限制。在第一阴极2的右端还可以在加装一块阳极板1，提高放电效率。

实施例3    图3所示是本发明用于工件内表面渗金属的结构示意图。对于内表面渗金属采用图3所示的立式结构，即渗金属室7和空心阴极组件垂直布置；空心阴极组件和放置在阴极支座10上装有渗金属材料的金属网状阴极筒2位于筒管状工件3的内腔中央；在空心阴极组件中，阳极板3是实心圆板，位于渗金属材料的上方，空心阴极放电电源6的负极与阴极支座10连接，直流偏压电源5连接方式等与实施例1相同。

实施例4    图4所示是本发明用于较长工件内表面的结构示意图。对于较长筒管状工件内表面渗金属，将工件3两端封堵，并在其端部连接充气管路、抽真空机组(图中未示出)，用筒管工件3内腔作为渗金属室7，空心阴极组件和阴极支座10位于筒管工件3内腔，空心阴极组件与工件3呈卧式布置。同样，金属网阴极筒2固定在阴极支座10上，金属网阴极筒2装有渗金属材料，阳极1位于与阴极筒2的开口端对应的位置，直流偏压电源5的负极与工件3相接，空心阴极放电电源6的负极与阴极支座10相接，阴极支座10与第一阴极2处于相同电位。

以上给出了本发明的几种实施方式，但并不意味对本发明的限制。如普通工件的外表面、内表面渗金属，也可以采卧式结构。如果在图3所示的圆筒形工件3外壁与渗金属室内壁之间加上一组空心阴极组件，则可同时对筒管状工件进行外渗与内渗；对于截面比较小的管材，可将数件此类工件并列放置在图4所示的用作渗金属室7的大管径的管腔内加工。总之，凡是采用阳极和第一阴极组成空心阴极组件，与作为第二阴极的被渗工件在空间位置上彼此分开，工件在第一阴极内或第一阴极外，通过空心阴极放电电源和直流偏压电源分别对第一阴极和第二阴极的电压单独进行调节的任何变形，都应属于本发明保护的范畴。

Claims (10)

1、一种空心阴极离子渗金属装置，包括真空的渗金属室，与渗金属室相连接的充气管路和抽真空机组，位于渗金属室内的阳极板、装有渗金属材料的阴极筒、工件，直流偏压电源和空心阴极放电电源；其特征在于：所述渗金属材料与所述工件(3)相互分离，所述渗金属材料和所述阴极筒(2)作为第一阴极，所述工件(3)作为第二阴极，阳极板(1)位于所述第一阴极(2)的一端或两端与所述第一阴极(2)相对应的位置，所述阳极板(1)与所述第一阴极(2)组成独立工作的空心阴极组件，所述直流偏压电源(5)的负极与所述第二阴极(3)相接，所述空心阴极放电电源(6)的负极与所述第一阴极(2)相接，所述直流偏压电源(5)的正极和所述空心阴极放电电源(6)的正极均与所述阳极板(1)相连接。

2、如权利要求1所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述渗金属室(7)和所述空心阴极组件垂直布置，所述工件(3)放置在位于所述阴极筒(2)中央的工件支座(4)上，所述工件支座(4)与所述工件(3)电位相同；所述工件支座(4)与旋转机构(11)连接。

3、如权利要求1所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述渗金属室(7)和所述空心阴极组件水平布置，在所述渗金属室(7)内安装一个或二个及以上的所述空心阴极组件，在所述渗金属室(7)的两端分别连接二至六个过渡真空室(12)，所述工件(3)配套有工件移动装置或配套有所述渗金属室(7)与所述过渡真空室(12)的移动装置。

4、如权利要求1所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述渗金属室(7)和所述空心阴极组件垂直布置，所述工件(3)是筒管状工件，所述第一阴极(2)放置在阴极支座(10)上，所述空心阴极组件和放置在所述阴极支座(10)上的装有渗金属材料的网状阴极筒(2)位于所述筒管状工件(3)的内腔中央。

5、一种空心阴极离子渗金属装置，包括充气管路、抽真空机组，阳极板，装有渗金属材料的阴极筒、工件，直流偏压电源和空心阴极放电电源；其特征在于：所述工件是筒管状工件(3)，所述筒管状工件(3)内腔是渗透金属室(7)，所述装有渗金属材料的阴极筒(2)作为第一阴极，所述筒管状工件(3)作为第二阴极，所述阳极板(1)位于所述第一阴极(2)的一端或两端与所述第一阴极(2)相对应的位置，所述阳极板(1)与所述第一阴极(2)组成独立工作的空心阴极组件，所述直流偏压电源(5)的负极与所述第二阴极(3)相接，所述空心阴极放电电源(6)的负极与所述第一阴极(2)相接，所述直流偏压电源(5)的正极和所述空心阴极放电电源(6)的正极均与所述阳极板(1)相连接；所述阳极板(1)、所述装有渗金属材料的阴极筒(2)位于所述筒管状工件(3)内腔，所述充气管路(9)、所述抽真空机组(8)与所述筒管状工件(3)内腔相连接。

6、如权利要求5所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述装有渗金属材料的阴极筒(2)安装于阴极支座(10)，所述阴极支座(10)位于所述筒管工件(3)内腔，所述空心阴极放电电源(6)的负极与阴极支座(10)相接，所述阴极支座(10)与所述第一阴极(2)处于相同电位。

7、如权利要求1至6任意一项所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述阴极筒(2)是由与所述渗金属材料材质相同的一端或两端开口的金属筒管制作，或由与所述渗金属材料材质相同的金属网制作；所述渗金属材料是挂在所述阴极筒(2)上的螺旋状金属丝，或是挂在所述阴极筒(2)上的圆管材料或插在螺旋状金属丝中间的柱形、条形材料。

8、如权利要求1至6任意一项所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述渗金属材料可以是两种以上材质，所述阴极筒(2)与所述渗金属材料是相同或不同的金属材料。

9、如权利要求1至6任意一项所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述第一阴极(2)是金属与导电非金属的相间体，螺旋状金属丝中间插有柱形、条形的非金属导电材料。

10、如权利要求9所述的一种空心阴极离子渗金属装置，其特征在于：所述阳极板(1)是圆环形板或方框形板或实心板，所述阴极筒(2)是圆形或矩形截面。

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