CN219449848U - 一种多辉光等离子表面智能冶金设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的一种多辉光等离子表面智能冶金设备，包括水冷系统、进气系统、控制系统、电极系统和真空系统，水冷系统、进气系统、电极系统和真空系统分别与控制系统信号连接；水冷系统包括循环水泵和冷却水管，冷却水管与真空炉的腔体连接，电极系统包括供电单元和电极结构，供电单元与控制系统信号连接；电极结构包括2根源极杆和1根阴极杆，2根源极杆均连接有靶材，工件连接阴极杆。本实用新型的有益效果是：工件处于阴极，电压小，电流高，一方面阴极电压在工件表面处产生的等离子体可以净化、轰击工件，结合高电流提供的加热效果，提升所渗元素的扩散效果；另一方面低电压确保离子在电场作用下渗入并沉积在工件表面。

Description

一种多辉光等离子表面智能冶金设备

技术领域

本实用新型涉及一种多辉光等离子表面智能冶金设备，属于金属材料表面冶金技术领域。

背景技术

在现代世界，由于氧化、磨损、断裂和腐蚀导致的维护和部件过早失效造成了相当大的经济损失，相当于发达经济体国内生产总值(GDP)的3–4％。众所周知，工程中材料的退化/失效，如磨损和腐蚀，主要由材料的表面性质决定，而不是由整体性质决定。尽管出现了先进的制造工具和新开发的具有独特性能的材料，但材料表面工程领域已经吸引了涉及机械车辆、生物医学、航空航天和海洋领域的科学家和学者的注意力。与管理机械设备完整性的材料块体不同，材料表面控制部件之间的相互作用。由于工业上需要进一步改善材料零件的表面性能，通常采用表面改性技术来克服表面出现的一些失效模式，这已被证实是一种非常明智和合适的方法。表面改性技术，如其名称一样，改变了材料的表面/近表面状态(结构/成分/形态)，这不仅保持了基体材料的一系列质量，而且进一步有利于改善基体材料的合成。基于上述优点，表面改性技术一直是材料表面工程领域的研究热点。到目前为止，有许多表面改性方法被用来改善表面性能。根据是否形成新相，改性技术分为两类：无新相形成(喷丸、喷砂)和新相形成(等离子喷涂、辉光等离子合金化、激光熔覆、热氧化、阳极氧化、磁控溅射、化学气相沉积、搅拌摩擦加工等)。喷丸和喷砂处理方法会使被加工材料表面产生严重的塑性变形，导致基体微观结构、位错密度和材料硬度发生变化；电镀、磁控溅射改性的表面镀层结合力差，常出现镀层剥离的现象；激光熔覆等超高温方式会产生大量残余应力，改变组织结构；化学气相沉积则表面改性时间过长，生产效率低下。

该实用新型是以我国学者实用新型的“双层辉光等离子表面冶金技术”(USPatent4520268、4731539)为基础进行改良。该技术在真空容器中设置源极(欲渗元素)和阴极(工件)，将炉壁作为阳极。阴极和源极通电后产生辉光放电，通过两者之间的电压差引导离子流轰击工件表面，再通过工件本身加热后的热扩散作用使得元素渗入工件内部，形成具有特殊物理和化学性能的表面合金层。该合金层由于元素渗入基体，与基体之间没有明显界面，故而结合强度大幅度提升。

实用新型内容

为了克服双辉光放电易导致样品边缘效应，非金属功能层的可控性等问题，本实用新型的目的在于提高原双辉光等离子表面冶金技术的渗镀效率和质量，同时通过多元素共渗以实现结构渗层与功能层可控性和多样性的发展，进而扩大产品的范围及工业化生产的效率。

本实用新型涉及的一种多辉光等离子表面智能冶金设备，包括水冷系统、进气系统、控制系统、电极系统和真空系统，所述水冷系统、进气系统、电极系统和真空系统分别于所述控制系统信号连接；

所述水冷系统包括循环水泵和冷却水管，所述冷却水管与所述真空炉的腔体连接，所述电极系统包括供电单元和电极结构，所述供电单元与所述电极结构电连接，所述供电单元与所述控制系统信号连接；

所述真空系统包括低真空泵和高真空泵，所述低真空泵通过管道与所述真空炉的内腔连接，所述高真空泵的进气口通过管道连接有电控插板阀，所述电控插板阀通过管道与所述真空炉的内腔连接，在所述真空炉的内腔中设置有真空度检测装置，所述低真空泵、高真空泵、所述电控插板阀和所述真空度检测装置分别与所述控制系统信号连接；

所述电极结构包括2根源极杆和1根阴极杆，靶材连接其中所述源极杆，工件连接所述阴极杆。

进一步地，所述真空炉的顶部连接有升降装置，在所述真空炉的一侧开设有用于放入待加工产品的炉门。

进一步地，所述供电单元包括射频电源和/或脉冲电源。靶材的供电采用射频电源，工件辅以脉冲电源，同时结合阴极脉冲电压在工件表面处产生等离子体的轰击、活化作用，可方便实现非金属功能层和金属基体间的结合，还能实现多种类功能层的制备。

进一步地，所述控制系统包括恒压调节单元和真空控制单元，所述低真空泵、高真空泵以及所述电控插板阀分别与所述恒压调节单元连接，所述低真空泵、高真空泵以及所述电控插板阀还与所述真空控制单元连接。

进一步地，所述控制系统还包括稳压单元和温度检测单元，所述稳压单元与所述供电单元连接，所述温度检测单元与设置在所述真空炉中的热电偶连接，所述温度检测单元连接有用于显示所述真空炉中的气温的显示器，所述腔体内还设置有用于对炉内气压进行测试的复合真空计。

进一步地，所述控制系统包括控制单元和报警单元，所述报警单元与所述控制单元连接，所述恒压调节单元、真空控制单元、稳压单元和温度检测单元分别与所述控制单元信号连接。

进一步地，所述腔体内设置有第一换热管和第二换热管，所述第一换热管以螺旋的方式设置在所述腔体内，所述第二换热管以螺旋的方式套设在所述待处理的工件上，所述第一换热管和所述第二换热管均通过水流分配器与所述循环管道连接。

进一步地，所述电极结构还连接有转动结构，所述电极结构跟随所述转动结构转动，所述电极结构与所述控制系统信号连接。

1.工件处于阴极位置，通常电压小，电流高，一方面高电流提供加热效果增强热扩散作用，另一方面低电压确保离子在电场作用下渗入并沉积在工件表面；

2.在电极杆底部设有间隙保护结构，间隙宽度一般设为1-5mm，可以用来减少弧光放电的产生，确保工件表面渗层的高均匀、高性能；

3.两个源极杆均放置欲渗金属，在辉光放电时，两源极杆各自与连接在阴极杆上工件(阴极)形成回路，通过辉光放电溅射出金属元素渗入工件；

4.为了提高样品的均匀性，还在工件电极处实现了可旋转处理；

5.拓展性强，后续该装置还能通过增加电极数量继续提高生产效率，增加共渗入元素种类；

6.可以通过控制系统实现智能自动化控制，将所有模块整合统一，为规范化生产提供了前提条件，可部分取代传统气相沉积设备，在绿色环保的同时，大幅度降低生产成本，缩短生产周期，在钢铁、核工业、航空航天、军工等方面都有巨大的市场前景。

为让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为多辉光等离子表面冶金智能设备结构示意图；

图2为多辉光等离子表面冶金工作系统示意图。

1、真空炉；2、水冷系统；3、进气系统；4、控制系统；5、电源系统；6、下箱体，7、电控插板阀；8、高真空泵；9、低真空泵；10、炉门；11、电极结构；111、源极杆；112、阴极杆；12、靶材；13、工件；14、密封结构；15、温度检测单元；16、复合真空计；17、升降装置；18、红外测温仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型一较佳实施例中的一种多辉光等离子表面智能冶金设备，包括水冷系统2、进气系统3、控制系统4、电极系统5和真空系统，所述水冷系统2、进气系统3、电极系统5和真空系统分别于所述控制系统4信号连接；

所述水冷系统2包括循环水泵和冷却水管，所述冷却水管与所述真空炉1的腔体连接，所述电极系统5包括供电单元和电极结构11，所述供电单元与所述电极结构11电连接，所述供电单元与所述控制系统4信号连接；

所述真空系统包括低真空泵9和高真空泵8，所述低真空泵9通过管道与所述真空炉1的内腔连接，所述高真空泵8的进气口通过管道连接有电控插板阀7，所述电控插板阀7通过管道与所述真空炉1的内腔连接，在所述真空炉1的内腔中设置有真空度检测装置，所述低真空泵9、高真空泵8、所述电控插板阀7和所述真空度检测装置分别与所述控制系统4信号连接；

所述电极结构11包括2根源极杆111和1根阴极杆112，靶材12连接其中所述源极杆111，工件13连接所述阴极杆112。

在上述实施例中，所述真空炉1的侧面连接有升降装置17，升降装置17为悬吊装置或顶升装置，在所述真空炉1的一侧开设有用于放入待加工产品的炉门10。真空炉1下方连接有支撑真空炉1的下箱体6，真空炉1与下箱体6之间设置有密封结构14。

在上述实施例中，所述供电单元包括射频电源和/或脉冲电源。在实际实施过程中，靶材的供电采用射频电源，工件辅以脉冲电源，同时结合阴极脉冲电压在工件表面处产生等离子体的轰击、活化作用，可方便实现非金属功能层和金属基体间的结合，还能实现多种类功能层的制备。

在上述实施例中，所述控制系统4包括恒压调节单元和真空控制单元，所述低真空泵9、高真空泵8以及所述电控插板阀7分别与所述恒压调节单元连接，所述低真空泵9、高真空泵8以及所述电控插板阀7还与所述真空控制单元连接。

在上述实施例中，所述控制系统4还包括稳压单元和温度检测单元15，所述稳压单元与所述供电单元连接，所述温度检测单元15与设置在所述真空炉1中的热电偶连接，所述温度检测单元15连接有用于显示所述真空炉1中的气温的显示器，所述腔体内还设置有用于对炉内气压进行测试的复合真空计16。在实际实施过程中，还具有设置在真空炉之外的红外测温仪18。

在上述实施例中，所述控制系统4包括控制单元和报警单元，所述报警单元与所述控制单元连接，所述恒压调节单元、真空控制单元、稳压单元和温度检测单元15分别与所述控制单元信号连接。

在上述实施例中，所述腔体内设置有第一换热管和第二换热管，所述第一换热管以螺旋的方式设置在所述真空炉1的腔体内，所述第二换热管以螺旋的方式套设在所述待处理的工件13上，所述第一换热管和所述第二换热管均通过水流分配器与所述循环管道连接。

在上述实施例中，所述电极结构11还连接有转动结构，所述电极结构11跟随所述转动结构转动，所述电极结构11与所述控制系统4信号连接。

一种多辉光等离子表面智能冶金方法，基于上述多辉光等离子表面智能冶金设备，包括以下步骤：

(1)将待处理工件13和靶材12分别放置于炉内的阴极杆112和源极杆111上，这里通常需配套相应的工装来提高元素渗入效率及防止热量散逸。

(2)关闭放气阀，开启低真空泵9及低真空泵9阀门，通过复合真空计16对真空室内气压进行监测，当气压降至10Pa以下时，粗抽过程完毕，进入后续细抽环节。

(3)在开启高真空泵8及其电控插板阀7之前，关闭低真空阀门，防止通过内外气压差而产生倒吸。高真空泵8能够将真空室内气压进一步细抽至10-3Pa以下，真空需求可根据不同产品要求进行改变。

(4)关闭高真空泵8及阀门，开启进气系统3向真空室内输送工作气体，若工作气体不参与反应，则通常选择Ar；若涉及到渗氮等工艺，则可以根据工艺选择不同工作气体。为确保炉内工作气压稳定在1-200Pa，在通入工作气体的同时需打开低真空泵9及阀门，需控制进气流速和抽气阀门大小。

(5)待炉内气压稳定后，开启电极电源，进行短时间的靶材12及工件13清洁。一方面，靶材12和工件13处都可以清洁表面，去除氧化皮，提高表面能，增大后续溅射及渗入效率；另一方面，工件13处能逐步加热，提高工件13表面原子热运动的剧烈程度。

(6)控制供电单元，将源极杆111电压调至500-1500V，工件13电压调至300-1000V，工件13电压需始终与源级杆电压存在200V以上的电压差，通过电压差增强真空炉内溅射原子的运动速率，提高渗入效率。整个合金化过程中需要通过红外测温仪18进行温度监控，必要时通过电压电流的调节来改变工件13温度。

(7)合金化过程结束后，缓慢降低源极杆111和阴极杆112处电压实现原位冷却，具体冷却速率可以参照工件13要求进行改变。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：包括水冷系统、进气系统、控制系统、电极系统和真空系统，所述水冷系统、进气系统、电极系统和真空系统分别于所述控制系统信号连接；

所述水冷系统包括循环水泵和冷却水管，所述冷却水管与真空炉的腔体连接，所述电极系统包括供电单元和电极结构，所述供单元与所述电极结构电连接，所述供电单元与所述控制系统信号连接；

所述真空系统包括低真空泵和高真空泵，所述低真空泵通过管道与所述真空炉的内腔连接，所述高真空泵的进气口通过管道连接有电控插板阀，所述电控插板阀通过管道与所述真空炉的内腔连接，在所述真空炉的内腔中设置有真空度检测装置，所述低真空泵、高真空泵、所述电控插板阀和所述真空度检测装置分别与所述控制系统信号连接；

所述电极结构包括2根源极杆和1根阴极杆，靶材连接其中所述源极杆，工件连接所述阴极杆。

2.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述真空炉侧面连接有升降装置，在所述真空炉的另一侧开设有用于放入待加工产品的炉门，可实现灵活装卸样品。

3.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述供电单元包括射频电源和/或脉冲电源。

4.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述控制系统包括恒压调节单元和真空控制单元，所述低真空泵、高真空泵以及所述电控插板阀分别与所述恒压调节单元连接，所述低真空泵、高真空泵以及所述电控插板阀还与所述真空控制单元连接。

5.根据权利要求4所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述控制系统还包括稳压单元和温度检测单元，所述稳压单元与所述供电单元连接，所述温度检测单元与设置在所述真空炉中的热电偶连接，所述温度检测单元连接有用于显示所述真空炉中的气温的显示器，所述腔体内还设置有用于对炉内气压进行测试的复合真空计。

6.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述控制系统包括控制单元和报警单元，所述报警单元与所述控制单元连接，所述恒压调节单元、真空控制单元、稳压单元和温度检测单元分别与所述控制单元信号连接。

7.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述腔体内设置有第一换热管和第二换热管，所述第一换热管以螺旋的方式设置在所述腔体内，所述第二换热管以螺旋的方式套设在所述待处理的工件上，所述第一换热管和所述第二换热管均通过水流分配器与循环管道连接。

8.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：所述电极结构连接有工件转动工装结构，所述电极结构跟随所述转动工装结构转动，所述转动工装结构与控制系统信号连接。

9.根据权利要求1所述的多辉光等离子表面智能冶金设备，其特征在于：在电极结构底部设有间隙保护结构，间隙宽度为1-5mm。