专利名称：金属材料表面合金化的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料表面合金化的方法及设备，更确切地说是一种利用欲渗金属材料制作的工作气发生器在卤化物气氛中的反应产物蒸气作为合金元素来源进行离子渗金属的方法及设备。
离子渗金属的方法因其在工业上的广阔应用前景而倍受重视。这种方法较至其他渗金属，有如下优点表面合金渗层与基体材料结合牢固，能耗较低，合金元素用量少，劳动条件良好等，其应用具有显著的经济效益和社会效益。从目前的情况看，这一方法是具有很大的发展潜力的，在众多的报道中，值得重视的有如下两种情况(1)以金属卤化物气体与其他气体如氢气等的混合气或者以单一的金属卤化物气体(后者如中国专利CN85107593)作为辉光放电工作气氛的离子渗金属法，其优点是实现该方法的设备结构较简单，特殊的工艺参数少等。在600℃左右对镍、铁等渗Al，即可得到表层分别为AlNi，AiNi3，NiAl3及Fe3Al，Fe2Al5，FeAl3等的合金属层，对铁、镍分别渗钛则可分别得到该法得到FeTi，Ni3Ti等等合金层。但是这类方法由于只使用了卤化物气体作为渗金属源，其工作气中含欲渗元素的浓度较低，导致了渗金属的效率也较低。
(2)双层辉光离子渗金属(美国专利US4520268)及弧光放电离子渗金属(中国专利CN88100549.5)。这类方法的特点是以对欲渗金属进行直接加热，离子轰击或弧光放电使之蒸发的蒸气作为工作气，着重点在于提供欲渗金属元素浓度较高的工作气作为渗金属源，以期提高渗金属的效率。其主要缺点是直接加热，离子轰击以及弧光放电蒸发出来的源金属粒子的化学活性不如前一类方法的，且因其在较源金属沸点上对低得多的温度下粒子运动的自由程度非常有限，以它作为工作气很难均匀地充满反应空间。如前者，源极只有与待渗件离得较近(如50～100mm)时，效果才显著，大大影响了渗金属的质量。另外源极需要较大的表面积及很高的温度，也使设备复杂化。
本发明的目的在于集以上各法的优点，克服其中的缺点，提出了一种新颖的解决方案，以使渗金属的效率大大提高，渗层含金元素含量高，与基体结合牢固，且分布均匀。
具体地说，本发明的要点是在真空反应室内除设置常规的阴极、阳极之外，还增设了作为渗金属源消耗的工作气发生器。该工作气发生器在压力为13.3Pa-1.33×103Pa的易得卤化物气氛中维持一种反应方式，空心阴极放电，并以工作气发生器与卤化物反应产生的气氛作为工作气氛。由于工作气发生器是用欲渗金属材料制成的，在欲渗金属卤化物气氛中通电维持相应的工作状态时将受到剧烈的化学反应而生成更低价的卤化物，这些新产生的卤化物在真空中高温下蒸发成气体并逐渐取代原卤化物气体而充满反应室成为工作气氛。由于低价的卤化物中金属元素原子百分比提高了，因而使工作气氛中欲渗元素的浓度大为提高，另一方面，卤化物一般具有较低的沸点，因而在工作温度下其蒸气粒子运动自由程要比单纯的金属蒸气粒子的自由程大得多，容易充满整个反应室空间并均匀化。再从化学活性方面考虑，由于由工作气发生器产生的气氛中的大部分粒子处于电离状态，再加上化学活性极高的卤素元素的存在，工作气能够保持非常高的化学活性。这样与阳极与待渗材料的阴极之间加上直流高压并产生辉光放电，根据需要进行保温，即可获得所需的合金层。
图1是实现上述方法的一种设备示意图，以下结合该示意图说明实现上述方法的过程。
真空反应室(1)经过抽真空系统(2)抽真空，待渗金属材料(3)置于阴极(4)上，在真空反应室内另外还设有工作气发生器(5)和阳极(6)，卤化物蒸气源(7)与真空反应室连，交流变压电源(8)可以根据具体情况给真空室中加热的预热炉(9)供电对真空反应室预热，气压计(10)测量真空室中气压，当抽真空使真空度达到13.3Pa以上后，卤化物蒸气源(7)中的卤化物蒸气充入真空反应室内使其内达到13.3-13.3×103Pa的工作压力，接通工作气发生器(5)的供电电源(11)，使工作气发生器(5)维持正常的工作;接通辉光放电直流电源(22)，在阴极(4)与阳极(6)之间产生辉光放电，阴极(4)上的负压约在400-1200V之间，保持处理温度500-1200℃，处理时间一般在10分钟以上，就可以在工件(3)上得到渗层。
在上述过程中，工作气发生器(5)是由欲渗金属制作的空心阴极装置。并可根据反应室的大小以及工件分布情况同时放置两个或两个以上的工作气发生器。
上述过程中，可以根据具体情况确定预热炉(9)及其供电电源(8)是否使用。例如，需要对炉体及工件等进行烘烤时以及处理温度较高而辉光放电能量不能维持该温度时，即启用预热炉;而当不需要烘烤及低温处理时，则预热炉可以不用。
上述过程中还需要一些必要的检测及控制仪器、仪表、热电偶及测温仪表(14)，放入空气的阀门(13)等，某些零部件可以实施水冷(如炉壳、电极等)。
实施例一碳钢样品渗钛、工作气发生器是空心阴极放电装置，用工业纯钛制作。卤化物蒸气为四氯化钛(TiCl4)蒸气。过程如下，碳钢工件(3)置于阴极(4)之上，真空系统(2)抽真空;可变压电源(8)电使预热炉(9)对真空反应室(1)预热，其电压50-200V，预热温度600-900℃;与真空度达到13.3Pa以上时，充入TiCl4气体，使其内达到13.3-1.33hPa的工作压力;接通电源(11)便给空心阴极放电工作气发生器(5)维持正常工作。接通辉光放电电源(12)在阴极与阳极间，电压保持在400-1200V，维持样品的辉光放电，并使处理温度为700-1200℃，保温10分钟以上。分别对10＃、20＃、45＃、T8、T10钢等分别进行渗钛。结果发现，对于含碳量低于0.2%的碳钢，在其表面上只形成了部分的碳化钛(TiC)，这是样品中少量碳向表层扩散与渗入的钛相结合的结果，但因含碳量较低，故不能形成连续的TiC膜，而对于含碳量大于0.3%的碳钢，样品的表面则形成了光洁致密的纯TiC膜，具有高硬度和优良的抗酸、碱腐蚀的性能。T8钢经渗钛后的X射线衍射谱为TiC。
实施例二碳钢样品渗镍。工作气发生器为空心阴极装置，并用纯镍制作，通入的工作气为NiCl2，其余过程相似。处理后，可以得到有铁镍合金的表面。
其他实施例钼制工作气发生器(空心阴极或通入MoCl5气。则在碳钢表面形成Mo的碳化物如MoC2以及Fe3Mo2，α相、γ相等组成的Fe-Mo合金层。钛制工作气发生器，通TiCl4，在Ni基合金表面形成含Ni3Ti，NiTi2的合金层，在Cu基合金表面形成含CuTi2，Cu3Ti及Cu4Ti的合金层。W制作工作气发生器，通WCl2蒸气，则在碳钢表面形成由Fe7W6，Fe2W2C，WC，W2C及α固溶体组成的渗层。用石墨制作的工作发生器，通CCl4气，则形成碳与金属化合物。
权利要求
1.一种以欲渗金属与其卤化物反应所得产物的蒸气作为工作气的辉光放电在待渗金属材料表面渗金属的方法，由如下过程组成真空反应室抽真空使其真空度在13.3pa以上；充入欲渗金属的卤化物蒸气，使之达到13.3Pa-1.33×103Pa的工作压力；接通处于真空室中的由欲渗金属制成的工作金属蒸气发生器的电源，使之在上述工作压力下与上述卤化物蒸气反应，并使其温度升高，反应的产物随之在真空中蒸发并逐渐取代原卤化物蒸气而成为工作气；在放置待渗材料的工作阴极与阳极间加一400-1200V的直流高压使其维持辉光放电；根据需要保持处理温度500-1200℃和处理时间10min以上，从而使待渗材料表面合金化，其特征在于上述工作气发生器是空心阴极放电装置。
2.根据权利要求1、2的方法，其特征在于工作发生器的电源为直流电源，电压为200-800V。
3.根据权利1、2的方法，其特征在于工作发生的产生空心阴极放电时气压13.3-13.3×103Pa。
4.根据权利1、3的方法，其特征在于产生空心阴极放电的气体为卤化物。
5.一种通过欲渗金属的化合物蒸气辉光放电渗金属的设备，其中包括一真空反应室及其抽真空系统;置于真空反应室中的一个阳检，一个与待渗零件电连接的阴极和一个或多个工作气发生器;一个与真空反应室相连通的待渗元素卤化物蒸气源;两套分别为阴极和工作气发生器提供电压的电源;上述工作气发生器是空心阴极放电装置。
6.根据权利1中的方法及权利5中设备，其特征在于所述的真空反应室有一套预热装置。
7.根据权利5中的设备，其特征在于所述的工作气发生器是欲渗金属材料制作的。
8.根据权利5的设备，工作发生器的电源是独立的。
9.根据权利6，真空反应室中预热装置的电源为交流电或直流电。
全文摘要
一种通过金属及金属化合物蒸气在被渗金属材料表面渗金属的方法及设备。被渗金属材料放在真空中的阴极上，通入欲渗金属卤化物蒸气，真空室中设有工作发生器使欲渗金属蒸发成蒸气。在阴极及阳极间施以高压电而产生辉光放电。位于阴极的被渗金属材料在辉光放电的作用下渗入欲渗的金属。
文档编号C23C10/06GK1097221SQ9310779
公开日1995年1月11日 申请日期1993年7月8日 优先权日1993年7月8日
发明者张弋飞, 许建华 申请人:张弋飞, 许建华