專利名稱：弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置屬于一種金屬表面化學(xué)熱處理的范疇，具體而言就是利用弧光放電現(xiàn)象實現(xiàn)金屬表面滲碳及碳、氮共滲和金屬、碳、氮共滲的一種技術(shù)及其裝置。
現(xiàn)有的滲碳方法，有固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳、膏劑滲碳、可控氣氛滲碳，以及近年來發(fā)展起來的真空滲碳和輝光離子滲碳等方法。但是固體、液體、氣體滲碳有滲速慢，組織不均勻，成份不可控，污染大氣，勞動條件差等缺點(diǎn)，可控氣氛滲碳雖然解決了成份可控，但處理時間長，設(shè)備復(fù)雜，成本較高。輝光離子滲碳和真空滲碳雖然又前進(jìn)一步，但仍有處理時間長，設(shè)備復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的在于利用稀薄氣體中的弧光放電現(xiàn)象，把石墨碳直接作為陰極電弧源的靶材，依靠碳離子流的轟擊與擴(kuò)散，滲入工件內(nèi)部形成均勻滲碳層和實現(xiàn)碳氮共滲，以及在工件表面形成金屬、碳、氮化合物滲鍍層和金屬化合物薄膜。從而提供一種滲速快、滲層組織均勻，成份可控，設(shè)備簡單、成本低的弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置。
本發(fā)明是利用稀薄氣體中的弧光放電現(xiàn)象，在真空度為3x10-1～5x10-1帕，并能充入氣體介質(zhì)，且工件氣壓為8x10-1～50帕的真空容器內(nèi)，設(shè)置可以轉(zhuǎn)動和升降的陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)和電弧靶源，同時配備抽氣，供氣和側(cè)量裝置，其真空容器由鐘罩(1)和底盤(7)組成;其陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由陰極托盤(12)、陰極負(fù)偏壓電源(8)和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)(9)組成;電弧靶源由低壓直流電源(6)、引弧電極(2)、電弧源靶材(3)、電弧蒸發(fā)器(4)，永久磁鐵塊(5)和冷卻裝置組成;抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵(10)和油擴(kuò)散泵(11)組成;供氣系統(tǒng)由供氣源(13)、送氣管路(17)和進(jìn)氣口(18)組成;測試系統(tǒng)主要是由光電測溫儀(14)和觀察孔(15)組成;其欲滲工件(16)置于陰極托盤(12)上，作為陰極的鐘罩(1)和陰極托盤(12)之間連接一個可調(diào)的0～1500V的直流負(fù)偏壓電源(8)，在陰極鐘罩(1)的不同方位上設(shè)置陰極電弧把材(3)，在陽極鐘罩(1)和陰極電弧蒸發(fā)器(4)之間連接一連續(xù)可調(diào)的0～100V低電壓，0～200A的大電流直流電源，其特征在于其一是陰極電弧源的電弧把材是由石墨碳制成，形狀為圓柱狀，直徑和厚度為φ50～80x30～60mm的石墨靶材;其二是在鐘罩(1)上不同方位設(shè)置的石墨靶材(3)與欲滲工作(16)成一定角度，可按90°、45°～60°、90°和45°～60°三種方案設(shè)置;其三是在鐘罩(1)上在與欲滲工件成90°和45°～60°的方位上同時均勻交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶，亦可僅在90°方位上交替設(shè)置石墨袒靶和金屬靶，亦可僅在45°～60°的方位上交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶;其四是在鐘罩(1)上設(shè)置石墨碳靶的同時通入氮?dú)鈱崿F(xiàn)碳氮共滲;其五是在鐘罩(1)上同時均勻交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶，同時通入氮?dú)鈱崿F(xiàn)欲滲工件表面形成金屬碳氮化合物滲鍍層和金屬化合物薄膜;其六是電弧蒸發(fā)器(4)上安裝的永久磁鐵塊(5)可以設(shè)計為五角形、六角形、八角形、梅花形等。欲滲工件(16)與陰極電弧靶之間的距離為80～300mm。
欲滲工件(16)的滲碳及碳氮共滲的溫度為800～1100℃，偏壓為200～1000V，弧流為60～150A，工作氣壓為8x10-1～50帕之間。
在欲滲工件(16)表面合成金屬碳氮化合物滲鍍層和金屬化合物薄膜時工件的溫度為200～1100℃，偏壓為0～1000V，氣壓為8x10-1～8帕之間，弧流為60～150A。


附圖為弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置圖。
圖中1、鐘罩 2、引弧電極 3、電弧源靶材 4、電弧蒸發(fā)器 5、永久磁鐵塊 6、電弧電源 7、底盤 8、陰極負(fù)偏壓電源 9、轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu) 10、機(jī)械泵 11、油擴(kuò)散泵 12、陰極托盤 13、供氣氣源 14、光電測溫儀 15、觀察孔 16、欲滲工件 17、送氣管路 18、進(jìn)氣口。
下面結(jié)合

本發(fā)明的技術(shù)特征、裝置及其工作過程。
進(jìn)行弧光離子滲碳及共滲時，首先由抽氣系統(tǒng)的機(jī)械泵(10)和油擴(kuò)散泵(11)將真空容器抽至高真空，極限真空度3x10-1～5x10-1帕，而后由供氣系統(tǒng)充入惰性氣體氬氣或反應(yīng)氣氮?dú)?，使工作氣壓保持?x10-1～50帕的范圍，接著由引電極(2)引燃電弧，由陰極電弧蒸發(fā)器(4)發(fā)射出高密度的電子，這時在石墨碳靶材(3)表面迅速產(chǎn)生弧斑，每個弧斑的電流密度高達(dá)105A/cm2以上，弧斑在磁場的作用下在石墨靶材(3)的表面作無規(guī)則的運(yùn)動，蒸發(fā)出的碳原子迅速地被電離，電離率高達(dá)70～90%，從石墨靶(3)發(fā)射出的碳離子流，在工件(16)負(fù)偏壓的吸引下高速轟擊工件(16)表面，使工件(16)升至高溫，碳離子在轟擊與擴(kuò)散的過程中滲入工件內(nèi)部形成均勻的滲碳層或碳氮共滲層。
以20鋼工件弧光離子滲碳為例，工件溫度為950℃，處理時間為30分鐘，滲碳層厚度為0.77mm，處理時間為1小時，滲碳深度為1.3mm。滲碳層的表面碳濃度經(jīng)波譜分析為0.95%，表面到中心的碳濃度分布平緩過渡，滲層的表面組織為共析組織，是理想的滲碳層，而且表面碳濃度和滲度可以由弧流、偏壓和距離等工藝參數(shù)來控制。
若在鐘罩(1)不同方位上設(shè)置石墨碳靶(3)的同時均勻交替設(shè)置金屬靶(W、Mo、Cr、T等碳化物形成元素)就可以在工件表面形成金屬碳氮化合物滲、鍍層和金屬化合物薄膜，可以提高工件的耐磨、耐蝕、耐熱及抗高溫氧化等性能。
若在滲碳的同時，由供氣系統(tǒng)通入氮?dú)饣虬睔?，就可以實現(xiàn)碳氮共滲。
本發(fā)明具有設(shè)備簡單、操作方便、滲速快生產(chǎn)效率高，滲層厚度及組織成份容易控制、易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前最新的一種弧光離子滲碳及共滲技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置，是利用稀薄氣體中的弧光放電現(xiàn)象，在真空度為3x10-1～5x10-1帕，并能充入氣體介質(zhì)、工作氣壓為8x10-1～50帕的真空容器內(nèi)，設(shè)置可以轉(zhuǎn)動和升降的陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)和電弧靶源，同時配備抽氣、供氣和測溫裝置，其真空容器由鐘罩(1)和底盤(7)組成，其陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由陰極托盤(12)、陰極負(fù)偏壓電源(8)和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)(9)組成；電弧靶源由低壓直流電源(6)、引弧電極(2)、電弧源靶材(3)、電弧蒸發(fā)器(4)、永久磁鐵塊(5)和冷卻裝置組成；抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵(10)和油擴(kuò)散泵(11)組成；供氣系統(tǒng)由供氣源(13)，送氣管路(17)和進(jìn)氣口(18)組成；測試系統(tǒng)由光電測溫儀(14)和觀察孔(15)組成；其欲滲工件(16)置于陰極托盤(12)上，作為陽極的鐘罩(1)和陰極托盤(12)之間連接一個可調(diào)的0～1500V的直流負(fù)偏壓電源(8)，在陽極鐘罩(1)的不同方位設(shè)置陰極電弧源靶材(3)，在陽極鐘罩(1)和陰極電弧蒸發(fā)器(4)之間連接一連續(xù)可調(diào)的0～100V的低電壓，0～200A的大電流直流電源，本發(fā)明特征在于其一是陰極電弧源的電弧靶材是由石墨碳制成，形成為圓柱狀，直徑和厚度為φ50～80x35～60mm的石墨靶材；其二是在鐘罩(1)上不同方位設(shè)置的石墨靶材(3)與欲滲工件(16)成一定的角度；其三是在鐘罩(1)上同時在各種角度均勻交替設(shè)置石置碳靶和金屬靶；其四是在鐘罩(1)上設(shè)置石墨碳靶的同時，通入氮?dú)鈱崿F(xiàn)碳氮共滲；其五是在鐘罩(1)上均勻交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶的同時通入氮?dú)鈱崿F(xiàn)欲滲工件表面形成金屬碳氮化合物滲鍍層和金屬化合物薄膜；其六是電弧蒸發(fā)器(4)上裝有五角形、六角形、八角形、梅花形等各種形狀的永久磁鐵(5)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置其特征在于在鐘罩(1)不同方位上設(shè)置的石墨碳靶可與欲滲工件(16)成一定角度，具體為90°、45°～60°、90°和45°～60°三種方案設(shè)置。
3.按期權(quán)利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置，其特征在于鐘罩(1)上在與欲滲工件成90°和45°～60°方位上同時均勻交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶，亦可僅在與欲滲工件成90°方位上均勻交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶，亦可僅在與欲滲工件成45°～60°方位上均勻交替設(shè)置石墨碳靶和金屬靶。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置，其特征在于所述的欲滲工件(16)與陰極電弧靶之間的距離為80～300mm。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置，其特征在于所述欲滲工件(16)的滲碳及碳氮共滲的溫度為800～1100℃，偏壓為200～1000V，弧流為60～150A，工作氣壓為8x10-1～50帕之間。
6.按照權(quán)利要求(1)所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置，其特征在于欲滲工件(16)表面合成金屬碳氮化合物滲鍍層和金屬化合物薄膜時工件的溫度為200～1100℃，偏壓為0～1000V，弧流為60～150A，工作氣壓為8x10-1～8帕之間。
全文摘要
本發(fā)明弧光離子滲碳與共滲技術(shù)及其裝置，是利用弧光放電現(xiàn)象實現(xiàn)金屬表面滲碳及其共滲的新技術(shù)及其裝置。其特征在于以石墨碳直接作為陰極電弧源的靶材，發(fā)射出高密度的碳離子流，依靠碳離子的轟擊與擴(kuò)散在工件表面形成均勻滲碳層，若同時通入氮?dú)饧纯蓪崿F(xiàn)碳氮共滲，若在設(shè)置石墨碳靶的同時交替均勻設(shè)置金屬靶既可實現(xiàn)金屬、碳、氮共滲，又能在工件表面形成金屬碳氮化合物滲鍍層及其金屬化合物薄膜，具有滲速快，滲層組織均勻，成分可控，設(shè)備簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C23C8/30GK1065102SQ91102088
公開日1992年10月7日 申請日期1991年3月19日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月19日
發(fā)明者潘俊德, 范本惠, 李成明, 鄭維能, 韓晉宏, 徐重 申請人:太原工業(yè)大學(xué)