專利名稱：雙層輝光離子滲碳裝置及工藝的制作方法
技術領域：
本發明雙層輝光離子滲碳裝置及工藝屬于金屬材料表面化學熱處理工藝技術的范疇。具體的來講是一種在導電物質的表面利用雙層輝光離子滲金屬技術及空心陰極效應進行離子滲碳與碳—氮共滲的技術和裝置。本發明提供了一種以石墨為供給碳源的新的滲入裝置和方法。
本發明的基本思路是利用雙層輝光離子滲金屬技術。此技術于1985年在美國申請專利，并獲批準，專利號為4520268。雙層輝光離子滲金屬技術在鋸切工具方面的應用也申請了中國專利，專利號為87104358.0。本發明與以上兩個專利有著本質的不同，美國專利4520268中只進行金屬元素的濺射滲入，不包括非金屬元素碳。中國專利87104358.0中，是在使用雙層輝光離子滲金屬技術滲入金屬元素后再進行滲碳、淬火、回火的一種具體的應用工藝。其滲金屬技術未包括滲碳，后續的滲碳技術是采用一般的氣體滲碳工藝。
本發明裝置涉及的石墨源極材料為石墨碳，采用吊掛式或放置式均可，其幾何形狀一般采用仿工件外表面幾何形狀制作，也可以是板狀、刷子狀、條狀、圓弧形狀、絲狀、網狀、桶狀。
本發明裝置涉及的工件與工件之間、工件與輔助陰極之間，工件與源極之間的距離為10～20mm，其目的是為了產生輝光放電中的空心陰極效應，中空的輔助陰極可以是方桶形、圓形桶、長方桶形等，其材質或是金屬或是石墨。
本發明裝置涉及的高壓直流濺射電源和高壓直流加熱電源也可以是脈沖直流高壓電源。電壓從0～2000v連續平穩可調。
本發明工藝參數所涉及的范圍是，真空容器的極限真空度為10-1Pa，可充入工作氣體介質Ar或N、或NH3，工作氣壓為13.3Pa～1333Pa。工件溫度500℃～1300℃，滲碳保溫時間視工藝要求而定。高壓直流濺射的源極電壓-800V～-2000V。高壓直流加熱的工件電壓-200V～-800V。
本發明如同時通入工作氣體介質含有NH3或氮氣，則會使工件表面形成碳-氮共滲層。
本發明可以在一切鋼鐵材料的工件表面實現滲碳、碳-氮共滲。
本發明的工藝技術特征是，由于工件陰極與工件陰極，工件陰極與石墨源極，石墨源極與石墨源極之間的等電位空心陰極效應及不等電位空心陰極效應，強烈的離子流將源極中的石墨以碳原子、碳離子或各種碳粒子的形式濺射出來，輔助陰極的作用有兩個一是產生空心陰極效應并加熱工件，二是將各種碳粒子束縛在空腔內，形成較高的滲碳碳勢，使碳原子極快的吸附在工件表面，擴散進入工件內部，形成表面滲碳層。如此時工作介質含有NH3或氮氣，則會使工件表面形成碳-氮共滲層。本發明的優點在于，其一采用低價資源豐富、方便、簡單的非金屬材料石墨做為供碳源，其二利用輝光放電中的陰極濺射現象，將碳原子、碳離子及碳粒子濺射出來，工件表面成份依源極電流電壓實現可控，方便無污染。其三，充入其它氣體可方便實現工件表面的多種元素共滲層，如充入NH3可實現C-N共滲。其四，利用空心陰極效應，將物理手段施實于化學熱處理中，提高了滲入速度。其五可在導電材料上實施無氫滲碳。
權利要求
1.本發明雙層輝光離子滲碳裝置及工藝的設備主要由可以轉動和升降的陰極轉動系統(1)，陰極轉動系統上有陰極托盤(2)，中空的輔助陰極(3)，工件(4)，提供滲碳用的石墨源極(5)接地(陽極)的真空容器(6)，高壓直流加熱電源(7)，高壓直流濺射電源(8)，抽真空系統(9)，進氣系統(10)所組成，其技術特征是高壓直流加熱電源(7)的陰極接在工件(4)上、高壓直流濺射電源(8)的陰極接在石墨源極(5)上，高壓直流濺射電源和高壓直流加熱電源的陽極都接在接地的真空容器(6)上，工件(4)放置在輔助陰極(3)空腔內的陰極托盤(2)上，本發明采用稀薄氣體輝光放電中的等電位空心陰極效應及不等電位空心陰極效應，將簡單、方便、成本低廉、資源豐富的石墨碳作為供給滲碳及共滲時的源極，利用陰極濺射現象，將源極石墨碳原子濺射出來，在高溫下擴散進入工件內部，從而在工作表面形成滲碳層。當充入含氮氣氛如NH3等時，可以實現碳-氮共滲。
2.根據權利要求1，本發明裝置涉及的石墨源極材料為石墨碳，采用吊掛式或放置式均可，其幾何形狀一般采用仿工件外表面幾何形狀制作，也可以是板狀、刷子狀、條狀、圓弧形狀、絲狀、網狀、桶狀。
3.根據權利要求1，本發明裝置涉及的工件與工件之間、工件與輔助陰極之間，工件與源極之間的距離為10～20mm，其目的是為了產生輝光放電中的空心陰極效應，中空的輔助陰極可以是方桶形、圓形桶、長方桶形等，其材質或是金屬或是石墨。
4.根據權利要求1，本發明裝置涉及的高壓直流濺射電源和高壓直流加熱電源也可以是脈沖直流高壓電源。電壓從0～2000v連續平穩可調。
5.本發明雙層輝光離子滲碳工藝及其裝置的工藝為在輔助陰極(3)內放置工件(4)，在輔助陰極(3)內沿圓周懸掛石墨條(5)，抽真空達10-1Pa后，充入氬氣到工作氣壓，在工件(4)與真空容器(6)之間，加入高壓直流加熱電壓，在石墨源極條(5)與真空容器(6)之間，加入高壓直流濺射電壓，將工件升溫并保溫一段時間后，降到室溫，出爐取出試樣，可獲得表面滲碳層。本發明工藝參數是，真空容器的極限真空度為10-1Pa，可充入工作氣體介質Ar或N、或NH3，工作氣壓為13.3Pa～1333Pa。工件溫度500℃～1300℃，滲碳保溫時間視工藝要求而定。高壓直流濺射的源極電壓-800V～-2000V。高壓直流加熱的工件電壓-200V～-800V。
6.根據權利要求5，本發明如同時通入工作氣體介質含有NH3或氮氣，則會使工件表面形成碳-氮共滲層。
7.根據權利要求5，本發明可以在一切鋼鐵材料的工件表面實現滲碳、碳-氮共滲。
全文摘要
本發明雙層輝光離子滲碳裝置及工藝屬于金屬材料表面化學熱處理工藝技術的范疇。具體的來講是一種在導電物質的表面利用雙層輝光離子滲金屬中的空心陰極效應及不等電位空心陰極效應,進行離子滲碳與碳－氮共滲的技術和裝置。本發明提供了以石墨為供給碳源的輝光濺射滲入裝置和方法。空心陰極效應及不等電位空心陰極效應,加強了碳的滲入及可控性。充入含氮氣氛可以實現碳氮共滲。本發明是一種碳原子形成方便、快捷、無污染、滲入速度快,滲層均勻,成份可控,設備簡單,成本低、無氫滲碳的輝光放電技術及裝置。
文檔編號C23C8/36GK1386890SQ0211018
公開日2002年12月25日 申請日期2002年3月18日 優先權日2002年3月18日
發明者高原, 徐重 申請人:太原理工大學