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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。7 s1 V5 o- ]9 `

1 试验装置的结构

; _0 E0 i4 d( R W8 b

  强光离子渗镀金属试验装置如图1所示。

1 P0 ^4 }0 z( v4 E& k6 a

$ m/ \8 L1 `% ]" Q X& {

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

4 \* P$ h8 T% {6 c1 T6 d _6 p. b

  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。

9 x: r# V+ }1 F( \5 k! I2 {9 D q

2 放电特性

$ O' L6 I& z# ^

  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。

/ C: B: d5 \5 a5 j& B4 A

+ A! a/ F+ R) c* U3 [7 o

Ⅰ-辉光放电特性 Ⅱ-强光放电特性

# M5 q9 e2 l& M' t; U* @5 l1 y

图2 辉光放电的伏安特性曲线图

) A) u- {1 k, e& W

表1 实验数据

, N, r# B* D' ?7 q

7 z; Q7 H$ u3 _% i

( Y* A) w: E' p1 n( a) ~) O: ]& k' B$ G/ ]% j" Q6 P( o& j% |2 @8 u9 \0 a- _: l4 r" X5 K, Y- g, S5 Q- p3 g3 v" l& {' }0 r5 p; g5 z1 z. U1 T" W6 O/ X' O# P# `+ l' u0 v& r( M' d5 N0 U7 E2 {$ K0 L3 Q2 p; \2 [2 b9 t9 I& v+ {0 s1 {' e, l2 y# S3 o0 E5 `2 e q4 W, C/ j) W( z" q3 U1 a- D* c, f/ ~- ~5 E- X. ^9 A* i8 j5 [7 z0 f. ?! R$ L; W P7 _5 J: J& z: b! @ X1 h1 o# j3 e5 H/ g" \& G8 B6 u" j' ]- H9 s/ @% h2 E5 z% V0 @7 W3 s6 C$ z8 D' P/ j( u4 k: m; G x, {: v% k. A+ i: \% l; W6 O7 q+ d7 \7 A( Y- M- i0 {! g( n2 J! F/ B3 \& q0 D! A, W5 r' k" c5 @% m0 L6 F7 d0 H1 D0 L1 G! E# m0 h4 z# `# \6 ~0 E: f- D4 {; q' M4 F6 M. g+ q% T) |6 y6 _- _& H$ K2 Z. e% e; y" ]& ^9 L! ~' k, b' B! g; ~ U7 c2 k5 @7 }- S6 a X0 ]9 }& u0 T" a* M5 \2 M
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

( T7 o) x, L" m0 M

  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。

1 H/ W) x6 Q+ j- U/ t

表2 实验数据

% l+ M2 U i% a% i9 E1 G' p

/ D: }" k' c- I- O2 Q

' H# [' `$ I n& c q* a' D) o! G3 p S* T( S& A* ]+ z' J- m4 b* F: ` j$ G/ b- c: `- d$ s2 l9 t6 r8 n0 _# P& N O2 J6 X) ]9 g/ D- q0 |5 R ~$ _+ i5 K5 [( i! F% ?5 s* \2 } i( t! z- p' b! i: {6 v0 M' t1 `) K4 ?* D2 x; m% N3 D% D4 G. V2 f0 w8 Q/ r: M8 K5 ]( ?' ?& R' f/ y8 _. z9 Q) j3 g8 z% \8 i$ {% h3 L# ~2 S3 E+ z6 y. I- o1 W1 T6 V; z' }+ n& r0 h1 O* D" U' Q, S# L( h# F i! h9 [. |. m6 T; p4 \5 R) ]" M2 `9 {6 Q. `9 c: F3 d" ?- c# n6 y1 g& w( C$ [. M; t) s/ B' @1 Q; i, u9 J; f' r+ h7 ~( {" z5 Q" J' L( z7 J V+ ` ?% n9 U9 Y# w1 L. u; Z& f& }8 N. C- Y. ^$ k9 E* T1 b0 K6 V; L3 P1 B5 s D+ u; e; f. F9 j! q7 Y0 n, s+ }4 M0 g" p& f* z- n! \( [+ v7 d! F; l$ a0 S* U/ ?* A- t0 a4 {& i6 d4 r/ [) ~/ y5 z! w, E0 Q# J: T: N5 d/ _1 O) w; w! C7 K+ Y2 e: w0 d" r7 C& {4 I* L; w! Y! O* x- A/ _& p+ \0 s5 t1 n4 S2 m# S6 |# T* |" q. t s5 I: p( _) F. v! h
U/V ' T( b# Z2 p) B. J, q

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

: @7 i$ R0 w- S* e* O8 @6 V

   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。

4 t7 e! O9 s! o5 K% h3 N* |

' p. H% M6 U4 A0 H- ~6 y8 ]

图3 45号钢渗钼的金相照片

9 ?. ~9 {$ _9 t! n+ \' X: j

  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。

# L% A6 b! {. z2 H4 L: }

3 结束语

+ a2 c& P- V6 r( h) e6 L. X! 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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