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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。 5 }1 U0 Y6 ^; Y0 Q# o! K

1 试验装置的结构

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  强光离子渗镀金属试验装置如图1所示。

5 ^8 s7 I) k" ~! W

3 B9 D' j V% u

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

+ K8 o( V" @6 i$ G, w

  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。

6 n9 Q% k# [& ?3 A

2 放电特性

$ p2 h1 n7 Y; t. Q

  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。

/ D& z+ L! ?( f2 ^6 C/ i; s$ u

, W4 l# ~; k" J! b5 F

Ⅰ-辉光放电特性 Ⅱ-强光放电特性

v f+ Q! R' n

图2 辉光放电的伏安特性曲线图

: u( X2 w) P& b/ @! S

表1 实验数据

/ a' n: {$ {( Z8 I6 [5 p4 K7 M* H$ M

9 R1 B4 Y. l- z% S) b0 N2 i6 `$ W/ K

5 c' f, E: w6 Z; }3 Q8 y" g6 B8 P* U7 a1 Y$ d/ g* p* x4 [% y0 B! C4 B' N' y4 E0 q* L; W- j- Q3 G8 B# g9 A% b4 {& r) N: g0 ^7 u; R; s! F7 a" e7 x4 N/ C& W+ G* O* J3 d6 x9 t* r, w7 J. P& m Z' ]4 y1 L4 C" L B5 \5 e/ z% ~' d2 K2 J7 v% p3 ~5 d7 v: U$ e" k& y& y- e: ?9 l5 v) t6 ~6 L, g: t4 }7 H+ | k* u r/ m( d2 ]$ l0 Z+ K2 e( K" `: J( V6 s! J! ~9 ?' |& n) U+ U* P; f! L$ n* P9 o* _( s; X% i8 R6 w0 C; s: Y, r% f% M. ^$ G8 R& ]8 `$ f) A/ N1 s3 y! T, |* q e) [" }0 \% C. Q3 t8 u) p+ `. e! L2 X; }4 f4 v$ V% g* Q O. g# ~" @7 |3 E$ P, w6 ~8 @7 d( O- p5 b/ m8 n& `+ \& f9 v9 I: J4 [+ P; h5 V+ J! E$ q; d, |+ G9 e3 o: m7 n4 n& N' @$ R3 n! w8 S' ]+ h. B* l0 B$ f5 t+ ~; y, E: C6 A; Z6 B8 z2 E# \+ s! [9 T# `- P. g- y7 m0 V. L' a `. S9 F! u6 e" H' d+ y, }5 i1 A1 u, @: c [& Q7 S8 v2 Y6 G3 k7 m$ Z2 X0 s, j. y) _! _& `' i4 Y' _5 [ }1 ~1 X
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

9 d, {& w3 u6 Z* z4 K. C- ~

  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。

7 N& I: l/ h3 y: o: u4 b; ^- N8 u( T; D8 s

表2 实验数据

. s3 \% z2 P/ S# S$ |

) |( ~6 n" U' A( H

" ^& W1 ~. \- Q! D! Q4 g8 ^' X0 L9 N, }$ ^6 y- x1 I8 l% y% | F. P }7 {& O3 G' k3 v/ M$ w. A; n0 h0 N) d3 w; O/ \3 \. n- E4 Y. P2 h9 j/ W' I: K% z, ~4 W! d# P) [! }4 s2 x3 Y8 ^7 u5 v( _2 H6 ], q: m+ P( z* ^0 J. o, m8 w4 ^7 M/ c0 L, f) k: v) ~2 T. p8 c0 d' ^7 j; m6 O$ S% L) W, p: x% r- o/ k9 {; D# U" ]4 X( z2 {+ U; K; A( \6 G$ n( X% q! p9 J9 i1 V* o7 I6 b. k2 F3 l0 u3 [4 O* E4 H5 F% U9 ]0 r" r" H2 t- p" A. P J, x3 g- a& E7 H3 l' t- [6 ~, H6 l- T: T+ O2 F3 F- V4 {0 ~/ L' u3 Q+ o9 o: V2 k3 Y% M* k, {# i8 e. s; E9 u- p+ Q4 J7 g. b. M- b1 t5 V% `# E4 t9 j: P: j1 x0 r4 _- u& W8 V2 \! n% f; w, t& n. r8 j2 B, D2 j& ~& J2 |/ X7 o' @% v6 ~5 c i a( B" a; J$ U% ~) f8 s- p; a. _; n; D/ P& \$ Q& G- c. C' P+ P' ?' a. Z2 d( H: \. n% C$ r1 H' a- I. m! A1 G: p5 s/ w2 N6 T: |! v; p) K5 W* c. `% H$ b: A [, U! ~1 \8 U$ x \ X$ Z% @0 M l& q2 |1 d1 ^% t5 o/ z( z$ _: q
U/V 0 Q8 {9 O5 U' b6 T+ U9 [, ~, B

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

% r, V8 @6 Z0 W" a- P- A

   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。

& D, T- z: H7 L3 t- d5 `

8 Q2 l, A( f0 ~

图3 45号钢渗钼的金相照片

, Y: u( G8 w! z4 A5 s

  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。

3 M) U8 o0 p% D6 Z6 a

3 结束语

% O& o3 e& c$ B! P% i) M

  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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