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强光离子渗金属

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发表于 2010-9-12 16:54:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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强光离子渗金属技术,可使钨、钼、铬、钛、镍、银、铜、硅等多种金属渗入到普通钢及其他金属中去,并可进行多元共渗,渗入深度可达300μm以上。使金属表面具有耐高温氧化、耐腐蚀、耐磨擦、可焊性等性能。渗钨、钼、铬可使金属零件耐1000℃左右的高温氧化及高温下各种烈性气体的腐蚀。金属模具表面渗入钨、钼、铬后,再应用常规渗碳淬火工艺,可使模具表面形成钨、钼、铬的碳化物,大大加强了表面硬度。渗钛可耐海水腐蚀。渗镍可解决金属零件表面的软钎焊性。金属零件表面渗银、铜,可提高金属表面的导电性等等。金属表面渗不同金属元素后,被渗金属表面便具有了所渗元素的物理化学性能。$ @ V+ u% S8 k4 R

1 试验装置的结构

( L8 H; |5 w& v7 P9 Y$ w {) H! ]( l, D

  强光离子渗镀金属试验装置如图1所示。

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2 Q# [# D1 g! g! K3 G8 b+ [

1-钟罩 2-阳极 3-偏压环 4-桶形阴极
5-阴极座 6-工件 7-夹具 8-偏压电源
9-高压电源 10-渗镀料 11-上盖板
图1 结构示意图

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  主电源输出0~1000V供阴、阳极。配置的偏压电源,输出0~450V,供偏压极。真空室有氩气入口和真空抽气口,阴极座5接主电源负端,阴极2接主电源正端。
  阴极桶是上端开口,桶的形状可以是圆形、锥形、正方形或异形。桶的上端有开口板,开口板的开口形状可以是圆形或其它形状,开口面积为桶形截面的1/5~1/2。阳极板为圆形,其直径等于偏压环直径。桶截面积等于阳极板面积。阳极距阴极上端开口板之距为30~70mm,偏压环距阴极上端为10~25mm,工件可以与阴极同电位,也可以悬浮或接地。氩气压力为1.33~13.3Pa。
  先将真空室抽至1.33×10-3Pa,然后通入氩气,氩气压力为1.33~13.33Pa,偏压为200~450V,逐渐增大主电源电压至500~600V,先出现第一次电流突变,产生辉光。然后继续加大主电源电压至600~800V,出现第二次电流突变。第二次电流突变以后,主电源电压加至适当值,使桶形阴极内温度达800~1200℃。基体为普通钢,工件温度控制在800~1050℃。第二次电流突变以后,桶形阴极四周的渗镀料在高温离子区中迅速溅射出金属原子。渗镀料金属原子在高能离子区中又被电离成金属离子。渗料金属离子在电场作用下渗入到工件表层。

' _7 f1 {$ I0 b7 n- o9 x/ m+ i. r! T* u

2 放电特性

8 K0 k) s7 Z; y. J" m7 k

  直流辉光放电已为大家所熟悉,其结构是在真空管内放置两块平行板,分别接直流电源的正负极。真空管内充氩气压力为2.6Pa,辉光放电的伏安特性曲线如图2中曲线Ⅰ所示。这种放电特性只出现一次电流突变,一次电流突变后,放电由正常辉光放电向异常辉光放电转化。其实验数据见表1。由表1可见,在给定条件下,直流电压为1000V时,放电电流只有10mA。

* o$ S% h8 P0 u/ _# N& N

$ Y" }. n: V& i8 x* r7 \* A ?

Ⅰ-辉光放电特性 Ⅱ-强光放电特性

* w! y6 o. L) t/ n+ O+ x

图2 辉光放电的伏安特性曲线图

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表1 实验数据

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) W6 f- c% _% S" D2 v( p

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U/V I/mA  
550 4.0 (1)氩气压力=2.6Pa
(2)阴阳级板距离=7cm
(3)阴阳极板直径=13cm
560 4.0
600 5.0
640 6.0
700 7.0
750 8.0
800 8.6
900 9.2
1000 10.0

3 c- ]2 C; e( Q3 j' V

  在相同的氩气压力2.6Pa的情况下,强光放电的伏安特性曲线如图2中曲线Ⅱ所示,(这种放电特性曲线在开始初级阶段与曲线Ⅰ相同),均产生一次电流突变。但一次电流突变之后,在辉光放电阶段又产生了二次电流突变。二次电流放电后,放电电流增加几百倍,其实验数据见表2。在给定条件下,直流电压为560V时,放电电流为3900mA。由此可见,桶形阴极的放电电流远远大于平板式二极辉光放电电流。二次电流突变之后,随着直流电压的增加,放电电流增加,桶形阴极内出现了耀眼的强光,此阶段的放电我们称为“强光放电”。在强光放电条件下,渗料、工件的温度迅速升高到1000℃左右,由渗料产生出的渗料金属离子在电场力作用下渗入到工件内部。

) ^( @5 A3 H% |/ u! G, ~

表2 实验数据

( {" k0 I- v. ^) V/ |

8 a S) |% ?1 @& U

" C" ]* o5 R( \' j6 E" y8 v2 o7 j6 g0 D& ]# j3 q/ N J. A) W: ]4 o9 g, D; x' i8 N$ _/ T7 i. D2 _* d+ u& P- ~- ]( Q7 q3 _% N+ ?+ ] d- B$ ^! w; z9 e ?$ ?9 K3 N9 O6 G1 ]8 ~1 w+ N6 T$ Z( O% R* { R7 w! F& ^7 X. |5 p2 F0 ?: |" k# f. t# H8 a2 z. D2 D. f: V/ w+ S* O) A$ ]" A8 L4 o3 e/ n+ ^0 m' f( a p) b" C4 ~' l+ u+ c3 D% m+ Z$ B, H, Q% y9 N% j! E% _, W/ O% U- {" a# ^- I$ `( H. N+ j9 ]0 T L1 {: |$ W; y; N. x% a; ~3 T. r' W( N! E. E2 | Z- W" `- ]9 W8 E% k+ e4 Y I+ d/ p/ K2 w: P$ a$ K: }; Z+ A2 b& C+ q* A% X8 g9 c) y3 F; Q f6 }0 K6 |- ^3 M8 n: `+ G, \8 x- Z$ R) Z2 Q- ~5 p J6 t3 q7 S' N; |& P3 Q% n5 N( t' B- I( w% h( m8 j3 J. l6 I7 T. X! x1 h8 f) g+ C- p3 F2 `( F1 ~+ A' H# m7 z6 S1 `7 l1 p- k/ V- ` @% [' Q/ L# O$ g$ x+ w, k% j; A& Y! ~1 \% K7 b u& ]6 d' g# q0 E3 a/ h( k7 [3 L* \; |, E5 B [6 M$ M" ~! ?7 _1 G/ S3 X6 `# h$ H; b# Q& A' R6 ]# {. ?+ p; h) Q& y! j7 Z) j9 J8 V5 s3 M5 K! P9 i9 v. ?
U/V 9 u8 e/ x5 O4 ?' N& G- H% W3 [

I/mA

 
540 10.0 (1)氩气压力=2.6Pa
(2)阴阳级板距离=7cm
(3)阴阳极板直径=13cm
562 15.0
569 17.5
570 18.0
589 20.0
439 3200.0
478 3210.0
479 3220.0
487 3500.0
512 3700.0
560 3900.0

[4 ]$ t: S+ F: b' L

   图3为45号钢渗钼的金相照片,工件温度为1050℃,渗镀时间为3h。本装置在给定条件下,氩原子首先被电离成为氩离子,氩离子在电场作用下轰击桶形阴极和渗料,产生二次电子和金属原子。

; p* Y7 n w( U

( _6 R3 @ A0 U* S) o( X( c( G3 I

图3 45号钢渗钼的金相照片

* A& {5 w' X, @+ f- i3 T2 i

  金属原子在氩离子的碰撞下产生金属离子,同时二次电子与氩原子相撞又产生更多的氩离子,氩离子轰击渗料又产生更多的二次电子和金属离子。在极短的时间内形成放电。在阴极桶内产生了大量的电子和各种离子。由于渗料是丝状的,表面积大,大量渗料原子被溅射出来,继而在放电电场内形成了大量的金属离子。金属离子在电场力作用下渗入工件。在桶形阴极内,不是单纯的气体放电,而是以氩离子、金属离子、电子等共同参与的放电。这种放电形式导致了离子的“雪崩”,产生了放电电流突变。强光放电由两次击穿叠加而成,第一次击穿产生在阳极与上开口板之间。第二次击穿产生在阴极桶内。第二次击穿后,放电电流产生突变。选择相同的工艺参数,如氩气压力,阴极电压与偏压极电压等。两种放电特性有很大的区别。
  强光放电,使渗丝和工件温度迅速提高1000℃以上,观察到桶形阴极内出现了耀眼的白光,所以称之为“强光”。由光强度计测量,“强光”比“辉光”的光强度增加14倍以上。由光电高温计测量,“强光”的温度低于“弧光”的温度,而“强光”的温度高于“辉光”的温度。
  在桶形阴极内,由于螺旋状渗料丝的温度增加,说明丝状渗料的电子发射能力明显增加。在高温下,阴极表面的电子发射率用Je表示。
  则:Je=AT2e-(eφ/KT)(A/cm2)
式中:A为发射常数,K为玻耳兹曼常数,eφ为逸出功,T为阴极温度。由公式可见,阴极电子发射率Je与阴极温度的平方成正比。
  这些发射电子在未与其它粒子发生碰撞之前,将不改变其运动方向。由于桶形阴极内均为负电位,当电子与桶壁接触之前因受到斥力而改变方向。当折向另一方向时,与桶壁接触之前又受到斥力,电子则又折向另一方向。电子在桶形阴极内来回摆动若干次之后,最终由上开口飞向阳极。电子在桶内摆动的过程大大加长了电子在桶内运动的路程,相应增加了与其它粒子相撞的机会,这就使在桶形阴极内的大量氩离子电离。同时由于氩离子溅射丝状渗料的作用,金属原子被溅射到桶形阴极内。这些电子、氩离子又与金属原子相撞,从而产生大量的金属离子。在这个半封闭的系统中,很短的时间内产生了离子的“雪崩”,使大量金属离子参与了放电过程。由于金属离子质量比较大,在等离子区中获得了一定的能量,向工件移动,最后渗入工件。

: W( M8 F' P0 z1 n

3 结束语

# a4 a; J5 u! i1 W

  强光离子渗金属,是利用“二次放电”将渗料金属离子渗入到钢基体表面。可以在稀薄气体中将工件升到高温状态,为金属离子渗入到普通钢基体表面提供了有利条件。【MechNet】

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