专利名称：加弧辉光离子渗金属技术及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于表面冶金及化学热处理范畴。
当今等离子表面冶金的方法很多，其中双层辉光离子渗金属及弧光离子渗金属是迅速发展起来的最新技术。前者离子绕射性比较好，能处理复杂另件和大面积工件，但离子化率低、渗速较弧光离子渗金属慢。而后者虽具有离子化率高，渗速快之长处，却存有离子绕射性差，难于实现内孔及复杂另件的处理等缺点。本发明是为了克服上述缺点，在辉光离子渗金属技术的基础上，设置阴极电弧源作为欲渗金属元素离子的主要供给源，这种新型的表面冶金方法，称之为加弧辉光离子渗金属技术。
本发明的特点是利用稀薄气体中的辉光放电及溅射现象，在被处理工件的周围设置辅助源极，作为欲渗元素的辅助金属源，利用空心阴极效应使其和工件迅速升温，辅助源极溅射出来的欲渗金属元素的原子或离子，在电场作用下轰击工件表面，因而它既是加热源又是欲渗元素的辅助供给源。同时利用真空电弧的放电现象，直接在容器壁上设置一个或多个金属阴极电弧源，作为欲渗金属的主源。不断产生高能量、高密度、高速度的金属离子流，在工件负偏压的作用下，加速到达工件表面，所有溅射至工件表面的活性原子或离子依靠扩散和离子轰击力量渗入工件表层或沉积于工件表面，形成纯金属层、合金渗层、渗镀结合层及化合物渗镀层。
附图为加弧辉光离子渗金属设备结构示意图1、炉罩(共阳极) 2、引弧钩 3、阴极电弧源4、弧源电源 5、辅助源极电源 6、基板偏压电源7、基板转动机构 8、抽真空机构 9、阴极(基板)10、辅助源极 11、观察孔 12、测温系统13、被处理工件 14、送气系统结合
本发明的基本特征，本发明是采用一个可以抽真空(8)及充入气体介质(14)以形成一定气体压力的密封容器，其极限真空度不低于1×10-2Pa，通入惰性气体(Ar、Ne)及反应气体(N2、O2、CH4等)，其工作气压在5×10-1-50Pa范围内变动。在容器内设有阴极(9)，在与基板连接的转动机构(7)的驱动下以一定速度旋转，工件(13)放置于阴极基板上，在阴极和阳极(炉罩)(1)之间，连接一个直流可调压电源(6)(0-2000V)，在工件周围设置与工件有一定距离的用欲渗元素金属制成的辅助源极(10)，在辅助源极和阳极(炉罩)之间，连接一个直流可调电源(5)(0-2000V)，辅助源极起加热工件和供给欲渗元素的作用。辅助源极和阴极基板间，可以是等电位也可是不等电位。
在容器壁上设置金属阴极电弧源(3)一个或多个，在作为阳极的炉罩和阴极电弧源之间，连接一个可调的低电压大电流直流电源(4)(0-100V、0-200A)通过引弧装置(2)引弧后，从金属阴极电弧源表面，发射出高能量、高密度、高速度的金属离子流，轰击被处理工件表面，它既是欲渗金属离子主源、加热源，也是轰击净化源，工件在辅助源极和电弧源的共同作用下被加热到高温后，欲渗金属离子借助于离子轰击和扩散过程渗入工件表层，形成均匀的纯金属层、渗镀结合的合金层。
例如A3钢和20钢经加弧辉光离子渗Ti，Al、Ni、lCr18Ni9Ti、W、Mo及Cr-Ni等单元渗或多元共渗处理，工件温度为950℃(测温系统12)，处理时间为30分钟，其渗层均可达100μm以上，表层合金元素最高含量可达80%以上。
本技术可以把任何金属元素或类金属元素或其任意比例的金属元素的组合制成电弧源靶材及辅助源极，渗入任何导电材料的表层，形成纯金属、合金渗层、渗镀结合层及化合物渗镀层。既可以渗，也可以镀，或渗镀结合，适合各种材料或另件要求的表面改性目的。
本发明设有辅助源极作为欲渗金属元素的辅助源，它具有良好的绕射性，所设的阴极电弧源作为欲渗金属元素的主源，它虽然绕射性差，但离子化率高，金属粒子密度大，能量高，渗速快。同时阴极弧源引弧后产生的弧斑点无秩序的在靶材表面不断运动，由于阴极水冷，这样不易形成金属靶面软化和熔化，可在炉罩任意位置安置，再加上工件随阴极基板匀速旋转，上述特征的综合结果，使本装置可以处理形状复杂内孔、凹面以及大面积各类另件，获得均匀的渗镀层。如钛、铝、铬、镍、钨、钼、钒、铌、钽等，以及它们之间不同比例，不同组合的合金渗层或渗镀层和与碳、氮、氧的化合渗镀层。
本发明加弧辉光离子渗金属技术，设备简单，操作方便，渗金属速率高，渗层结构和成分易于控制，适用于各种材料和另件，渗镀各种金属元素及类金属元素。易实现工业化生产，对提高材料或另件表面的耐蚀、耐磨、耐热性及其它改性以及提高工件寿命等有着十分明显的作用，经济效益显著。
本发明可适用于机械、化工、交通运输、航空、航天等各个领域，具有十分广阔的应用前景。
权利要求
1.本发明是在一个可以抽成真空并能充入气体介质的密封容器内，设置可以转动的阴极，工件置于阴极基板上，在工件周围设置一个用欲渗元素金属制成的辅助源极。在作为共用阳极的炉罩和辅助源极间以及炉罩和阴极间分别连接一个连续可调的直流电源(0-2000V)。在炉罩上不同方位设置一个或多个金属阴极电弧源，并设有引弧装置，在共用阳极(炉罩)和阴极电弧源之间，连接一个可调低电压直流电源(0-100V，0-200A)。通过本技术和设备利用辉光放电与弧光放电的离子溅射作用，使金属材料及另件表面形成和基体性能不同的，具有特殊物理、化学、机械性能的纯金属层、合金层和渗镀结合层以及化合物渗镀层。
2.根据权利要求1，其中所述的真空容器的极限真空度不低于1×10-2Pa。其中所述的充入气体一般为惰性气体，常用Ar气。形成碳、氮、氧的化合物渗镀层时，充入碳氢气、N2和O2气，工作气压为5×10-1-50Pa。
3.根据权利要求1，其中所述的辅助源极用欲渗元素金属或合金制成，其形状可以是丝、网、带状，它与工件之间以及辅助源极组件之间距离，根据需要可形成或不形成空心阴极效应放电。
4.根据权利要求1使用的金属电弧源靶材，可由任何金属元素或它们的任何比例合金制成，形状一般为柱状。
5.根据权利要求1，在金属电弧源上施加横向磁场，其方法可以是线圈式的，也可以是永久磁铁，磁场大小应可以调节。
6.根据权利要求1，其中所述的工件可以随阴极基板转动，转速一般为1-20转/分，工件与阴极电弧源的距离为100-300mm之间。
7.根据权利要求1其中所述的阴极电弧源的引弧装置有接触式(即短路引弧)和非接触式(高频振荡和高压脉冲引弧)。引弧钩材料可以为高熔点的W、Mo、Ti等金属制成，直径为3-5mm。
8.根据权利要求1，其中所述的工件渗金属温度为500-1300℃其偏压为300-1500V。
9.根据权利要求1所述的密封容器可以是方形或园形，其结构可以是单室的或多室连续式的。
10.根据权利要求1所述的炉罩与辅助源极之间及炉罩与阴极基板之间的直流可调电压，可以是等电位也可不等电位。
全文摘要
本发明属于表面冶金范畴。它是利用稀薄气体中的辉光放电及溅射现象，在工件周围设置辅助源极；同时利用真空电弧放电现象，在容器壁上设置一个或多个阴极电弧靶，作为主金属源。在对工件施加负偏压作用下，工件升至高温，依靠欲渗金属离子的轰击与扩散，使工件表面获得具有特殊物理、化学、机械性能的纯金属层、合金层、合金镀层及化合物渗、镀层。达到提高渗金属速度及质量，优化工件表面性能的目的。
文档编号C23C14/38GK1057073SQ9010384
公开日1991年12月18日 申请日期1990年6月1日 优先权日1990年6月1日
发明者潘俊德, 范本惠, 徐重, 李成明, 韩晋宏, 郑维能 申请人:太原工业大学