专利名称:等离子表面冶金方法及设备的制作方法
本发明属于表面冶金及化学热处理范畴。
现有的表面冶金方法有固体渗金属、液体渗金属、离子注入、激光表面合金化以及在金属氯化物的气氛中进行离子渗钛等方法。固、液渗金属法(包括近期发展的TD法)具有合金元素消耗大，有大气污染及劳动条件差等缺点。离子注入和激光表面合金化方法具有设备复杂、昂贵及只能处理小面积等缺点。在金属氯化物气氛中进行的离子渗金属技术将造成大气污染和对设备的严重腐蚀。
本发明的目的就是为了克服上述缺点，利用稀薄气体中的辉光放电及溅射现象，提供一个直接把固态的金属或类金属作为渗金属所需要的合金元素供给源，并使该供给源所提供的合金元素渗入到被加热至高温的工件表面，以形成该合金元素扩散层的表面冶金方法及设备。
本发明是应用双层辉光放电现象及离子轰击产生溅射的原理而形成的一种新技术。
本发明采用一个可以抽真空及充入气体介质以形成一定气体压力的密闭容器。其极限真空度不低于1×10-2托，通入惰性气体(如氩气)后，其气体压力在0.01-10托范围内变动。在该容器内设阳极、阴极和至少一个第三极。被处理工件和阴极相连。欲渗固态元素和第三极相连。阳极及阴极和一外接直流可调压(0-2000V)电源相连，第三极电位相对于阴极可调。当阳极和阴极之间的电位差，阳极和第三极之间的电位差同时超过起辉电压时，则在阳极和阴极之间及阳极和第三极之间皆出现辉光放电，此即双层辉光放电现象。构成第三极一部分的欲渗元素可以是丝、条、板、块、颗粒和粉末状等。
本发明的试验研究装置如附图中的图1所示。图1中的1-充气瓶;2-减压阀;3-流量计;4-过滤器;5-真空室;6-阳极;7-源极;8-阴极;9-机械真空泵;10-真空计;11、12-直流电源;13-调压器;14-非接触式测温计;K1K2-电开关。
在阳极和第三极之间所形成的辉光放电，使构成第三极的欲渗元素在正离子的轰击下被溅射出来。被溅射出来的合金元素的离子和原子以高速飞向阴极(工件)表面。在阳极和阴极之间的辉光放电使工件受离子轰击而被加热到高温。当由第三极溅射出来的离子或原子到达处于高温状态的工件表面时，便会借助于扩散过程而进入工件内部，从而形成一包含欲渗合金元素的合金扩散层。经电子探针测定，欲渗元素的浓度可达20%以上。附图中的图2系试样经离子渗铬后，铬在渗层中的含量分布曲线，图中纵座标为铬含量的重量百分数，横座标为距表面距离。图3为试样经渗钛之后渗钛层中含钛量的分布曲线。根据第三极的作用，也可将其称之为源极。
若采用两个以上源极，当阳极和阴极、阳极和各源极之间的电位差都超过该条件下的起辉电压时，在阳极和阴极以及阳极和各源极之间都将产生辉光放电，此即多层辉光放电现象。
在多层辉光放电条件下，本发明能够使一种以上的金属或类金属元素渗入任何可导电材料的表面。被处理材料可以是纯金属，也可以是合金材料。在商业上，采用本发明进行黑色金属的表面合金化尤为重要。在欲渗元素中，特别有价值的元素Cr、Ni、W、Mo、Ti、Co、AL、V、B、Zr等。
经等离子表面冶金处理时，工件的加热温度主要取决于制成该工件的材料成份，工件温度应高于欲渗合金元素在该材料中能够明显进行扩散的最低温度，但却必须低于该材料发生热变形的温度。例如，对于钢铁材料，其处理温度应高于800℃。等离子表面冶金的处理时间取决于被处理材料和欲渗元素的性质，加热温度以及所要求的渗层厚度。
本发明和现有的固、液渗金属相比具有节约能源、节约贵重合金元素及无污染等优点和离子注入及激光表面合金化技术相比具有设备简单及能处理大表面积工件等优点，和在金属氯化物气氛中进行离子渗金属的技术相比具有不侵蚀设备及无公害等优点。此外，本发明可应用于任何导电材料，渗源可是金属或类金属元素。
实现本发明的最好方式之一是将其应用于钢板处理在一个卧式等离子表面冶金炉内，阴极和普通低碳钢板相连，源极和镍铬合金板相连。辉光放电使普通低碳钢板加热到1000℃，并使镍铬合金板溅射出镍铬的离子和原子飞向低碳钢板，从而使其表面形成一镍铬合金钢层。附图2是普通碳钢经离子渗铬处理后渗铬层内含铬量的分布曲线，其表层含铬量为21%以上，已超过Cr13型不锈钢所要求的含铬量。附图3是碳素工具钢经离子渗钛处理后渗钛层中含钛量的分布曲线，其表层含钛量高达90%以上。本发明将在机械制造、化工及交通运输、国防工业中，具有十分广阔的应用前景。
权利要求
1.一种在可以抽成真空且能够充入气体介质的密闭容器内，利用稀薄气体中的辉光放电现象及其所产生的低温等离子体，使欲渗合金元素渗入被处理的工件，使工件表面形成一包含有欲渗合金元素的合金扩散层的表面冶金方法，及一种为完成上述方法的由密闭容器，抽真空系统，供气系统，测温系统组成的表面冶金炉，其特征是在真空密闭容器内设有阳极、阴极和至少一个第三极及在阳极和阴极、阳极和第三极之间同时产生辉光放电的双层辉光放电现象或多层辉光放电现象。阳极和第三极之间的辉光放电使构成第三极一部分的欲渗合金元素在正离子的轰击下被溅射出来。并以一定的速度向工件表面运动，阳极和工件(工件与阴极相连)之间的辉光放电使工件被加热到高温。因而当欲渗元素到达工件表面之后便可以借助于扩散过程而渗入工件内部，形成一包含欲渗元素的合金扩散层。上述工艺和其它工艺相结合还可以构成复合渗入及复合处理工艺。除在阳极和阴极之间设置直流可调电源外还必须在阳极和第三极之间通过使用第二套直流可调电源或自给偏压方法形成电位差。
2.根据权利要求
1，其中所述的真空容器所能达到的真空度应高于1×10-2托。
3.根据权利要求
1，其中所述的充气气体一般为惰性气体，其中最常用的为氩气。
4.根据权利要求
1，其中所述的稀薄气体压力范围一般为0.01-10托。
5.根据权利要求
1，其中所述的第三极，其电位可以高于、等于或低于阴极电位。但阳极和阴极以及阳极和第三极之间的电位差都必须超过该条件下的起辉电压。在充入氩气的条件下，其最低起辉电压约为300伏特左右。
6.根据权利要求
1，其中所述的工件可以由任何导电物质所制成。
7.根据权利要求
1，其中所述的欲渗合金元素可以是任何固态的金属、类金属元素及它们所形成的合金。它们的形状可以是丝状、条状、棒状、网状、板状成型板状以及粉末或颗粒等。对于粉末、颗粒状物质及低熔点合金元素要将其安置在与第三极相连的容器或支持物之上。
8.根据权利要求
1，其中所述的工件和欲渗元素除经受离子轰击而被加热外，还可以辅之以其它外加热源，如电阻加热及感应加热等。
9.根据权利要求
1，其中所述的阴极和第三极的接线柱结构都必须满足密封、绝缘、冷却及间隙保护等性能要求。
10.根据权利要求
1，其中所述的密封容器应考虑冷却及隔热屏等装置。
11.根据权利要求
1，其中所述的阴极和工件相连。工件在炉内可以停止不动，也可以与炉体之间有一定的相对运动。
12.根据权利要求
1，其中所述的复合渗是本发明工艺后再进行离子氮化或离子渗碳等;复合处理是本发明工艺后再进行淬火或溅射沉积等。
专利摘要
本发明是一种等离子表面冶金方法及设备，属表面冶金或表面化学热处理范畴，是在真空放电所形成的低温等离子体的条件下，利用双层或多层辉光放电现象，使被处理工件加热到高温，使欲渗元素溅射到工件表面，借助于扩散过程而形成包含有欲渗合金元素的具有特殊物理化学性能的合金扩散层。本方法可用于渗钨、钼、钛 铬、铝等。如，渗铬层厚度达300μm，其含铬量达20％以上。故可用普通金属材料取代价格昂贵的高合金材料。
文档编号C23C14/34GK85102057SQ85102057
公开日1985年12月20日 申请日期1985年4月1日
发明者徐重, 古凤英, 王振民, 孙梅琴, 潘俊德, 范本惠, 韩廷华, 郑维能 申请人:太原工业大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan