專利名稱：弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置屬于一種金屬表面化學熱處理的范疇，具體而言就是利用弧光放電現象實現金屬表面滲碳及碳、氮共滲和金屬、碳、氮共滲的一種技術及其裝置。
現有的滲碳方法，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，可控氣氛滲碳雖然解決了成份可控，但處理時間長，設備復雜，成本較高。輝光離子滲碳和真空滲碳雖然又前進一步，但仍有處理時間長，設備復雜、成本高的缺點。
本發明的目的在于利用稀薄氣體中的弧光放電現象，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散，滲入工件內部形成均勻滲碳層和實現碳氮共滲，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，設備簡單、成本低的弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置。
本發明是利用稀薄氣體中的弧光放電現象，在真空度為3x10-1～5x10-1帕，并能充入氣體介質，且工件氣壓為8x10-1～50帕的真空容器內，設置可以轉動和升降的陰極轉動系統和電弧靶源，同時配備抽氣，供氣和側量裝置，其真空容器由鐘罩(1)和底盤(7)組成;其陰極轉動系統由陰極托盤(12)、陰極負偏壓電源(8)和轉動系統(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)、電弧蒸發器(4)，永久磁鐵塊(5)和冷卻裝置組成;抽氣系統由機械泵(10)和油擴散泵(11)組成;供氣系統由供氣源(13)、送氣管路(17)和進氣口(18)組成;測試系統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)之間連接一個可調的0～1500V的直流負偏壓電源(8)，在陰極鐘罩(1)的不同方位上設置陰極電弧把材(3)，在陽極鐘罩(1)和陰極電弧蒸發器(4)之間連接一連續可調的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置石墨碳靶和金屬靶，亦可僅在90°方位上交替設置石墨袒靶和金屬靶，亦可僅在45°～60°的方位上交替設置石墨碳靶和金屬靶;其四是在鐘罩(1)上設置石墨碳靶的同時通入氮氣實現碳氮共滲;其五是在鐘罩(1)上同時均勻交替設置石墨碳靶和金屬靶，同時通入氮氣實現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;其六是電弧蒸發器(4)上安裝的永久磁鐵塊(5)可以設計為五角形、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、電弧蒸發器 5、永久磁鐵塊 6、電弧電源 7、底盤 8、陰極負偏壓電源 9、轉動機構 10、機械泵 11、油擴散泵 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、進氣口。
下面結合
本發明的技術特征、裝置及其工作過程。
進行弧光離子滲碳及共滲時，首先由抽氣系統的機械泵(10)和油擴散泵(11)將真空容器抽至高真空，極限真空度3x10-1～5x10-1帕，而后由供氣系統充入惰性氣體氬氣或反應氣氮氣，使工作氣壓保持在8x10-1～50帕的范圍，接著由引電極(2)引燃電弧，由陰極電弧蒸發器(4)發射出高密度的電子，這時在石墨碳靶材(3)表面迅速產生弧斑，每個弧斑的電流密度高達105A/cm2以上，弧斑在磁場的作用下在石墨靶材(3)的表面作無規則的運動，蒸發出的碳原子迅速地被電離，電離率高達70～90%，從石墨靶(3)發射出的碳離子流，在工件(16)負偏壓的吸引下高速轟擊工件(16)表面，使工件(16)升至高溫，碳離子在轟擊與擴散的過程中滲入工件內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來控制。
若在鐘罩(1)不同方位上設置石墨碳靶(3)的同時均勻交替設置金屬靶(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，由供氣系統通入氮氣或氨氣，就可以實現碳氮共滲。
本發明具有設備簡單、操作方便、滲速快生產效率高，滲層厚度及組織成份容易控制、易實現工業化生產等優點，是目前最新的一種弧光離子滲碳及共滲技術。
權利要求
1.一種弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置，是利用稀薄氣體中的弧光放電現象，在真空度為3x10-1～5x10-1帕，并能充入氣體介質、工作氣壓為8x10-1～50帕的真空容器內，設置可以轉動和升降的陰極轉動系統和電弧靶源，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，其陰極轉動系統由陰極托盤(12)、陰極負偏壓電源(8)和轉動系統(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)、電弧蒸發器(4)、永久磁鐵塊(5)和冷卻裝置組成；抽氣系統由機械泵(10)和油擴散泵(11)組成；供氣系統由供氣源(13)，送氣管路(17)和進氣口(18)組成；測試系統由光電測溫儀(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)之間連接一個可調的0～1500V的直流負偏壓電源(8)，在陽極鐘罩(1)的不同方位設置陰極電弧源靶材(3)，在陽極鐘罩(1)和陰極電弧蒸發器(4)之間連接一連續可調的0～100V的低電壓，0～200A的大電流直流電源，本發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置石置碳靶和金屬靶；其四是在鐘罩(1)上設置石墨碳靶的同時，通入氮氣實現碳氮共滲；其五是在鐘罩(1)上均勻交替設置石墨碳靶和金屬靶的同時通入氮氣實現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.按照權利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置其特征在于在鐘罩(1)不同方位上設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°三種方案設置。
3.按期權利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置，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°方位上均勻交替設置石墨碳靶和金屬靶。
4.按照權利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置，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.按照權利要求1所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置，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.按照權利要求(1)所述的一種弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置，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
本發明弧光離子滲碳與共滲技術及其裝置，是利用弧光放電現象實現金屬表面滲碳及其共滲的新技術及其裝置。其特征在于以石墨碳直接作為陰極電弧源的靶材，發射出高密度的碳離子流，依靠碳離子的轟擊與擴散在工件表面形成均勻滲碳層，若同時通入氮氣即可實現碳氮共滲，若在設置石墨碳靶的同時交替均勻設置金屬靶既可實現金屬、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，設備簡單，成本低等優點。
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 優先權日1991年3月19日
發明者潘俊德, 范本惠, 李成明, 鄭維能, 韓晉宏, 徐重 申請人:太原工業大學