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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。 0 z& b* h" W" j; x) l2 {

1 试验装置的结构

9 i3 [) L. z( [

  强光离子渗镀金属试验装置如图1所示。

| G% K/ s$ C: i

: u5 Z% j5 c& h2 `8 s

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

6 L% `9 {- a+ A9 {

  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。

e) q/ E t4 [

2 放电特性

9 P) Z' }( U) z( I, w1 @

  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。

+ G) z) C1 X9 Q/ j2 F

1 R2 }- ~1 X" a/ d9 _8 p# S% n" U/ d. i

Ⅰ-辉光放电特性 Ⅱ-强光放电特性

6 G5 d. R4 o) J

图2 辉光放电的伏安特性曲线图

: P# X- Q% F% ?3 O9 b0 E; x* ^

表1 实验数据

- H, F# x3 |5 q2 a

4 `' m. _$ U' W- I

4 Y) y7 s3 N) Z! J' o8 }7 j5 ^/ H, H. O& Z2 ]$ L$ o+ G, M% P# G! z* n( T4 E$ g' Z8 o1 q" b) J q" Y- Z) }0 ] E6 D9 G$ K+ r" Y9 ]5 V. M& `! K, A: Y, q& e- w- H8 ^& o$ i3 B7 u* ^' C" j4 s; t" o2 G4 `2 _" |8 c1 O+ _; F2 R2 p& f6 a( V p7 n+ i# L/ q% s0 _# T U$ S* i9 H8 x9 ]& Z/ j0 g- ]) G1 T& U7 H1 o- g/ u9 e/ A, D; Y: O& K# _: ^/ c3 ?! i" i% j* d* g- O; ~$ t8 p2 S3 ?' ]& C0 ^7 e# j2 D6 ~, n3 {% j1 ^. _- y6 e, |: U/ {" g/ s' o3 Y, g8 M7 M( w% R; D7 n. |/ u. }, e1 B A- {2 K+ _, K0 u( x1 x) k& w! s6 j) K: O* f; Z4 `% W& u/ ^/ s ?$ F, E% O( @9 }' N: O" ^0 }& o2 `& S B9 O4 L4 B y8 e, r( |! O* i) o& _' G) z$ s. A, p3 A+ d) f6 K; z7 {6 u7 I, k2 |- B$ }, V, X' j: C. f# w- T) r/ u- _" G" A4 C- J9 W! V; L6 K% S0 O5 m% i$ ]# K/ X4 n7 Y4 |' ?3 G0 j9 c% w4 w9 b5 o/ B. Z! r$ \
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 e/ F0 p* f }5 W- t

  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。

+ M: X* b# n% l. `0 G

表2 实验数据

' ~" m6 m0 e; S/ U

. f; i1 X9 ` }6 U+ {, }! Z( p2 n2 q

( O9 K, j8 M2 {5 z$ _! N5 O8 g0 O7 h+ o6 z6 b3 J" B# d, r" p1 V4 o' [+ P: [1 [) e7 r% |1 z, [6 T3 z; }7 n# t$ [- F! k+ G8 O! c R* i$ s% Q! o" ~0 I! ^/ x2 y! u( s2 x% w% h% x; u a* K5 F/ Z8 _- t: [5 H" a& c3 R K; }2 A9 o6 X! {% T" }% ~* Y$ p6 f1 H9 u" @4 {7 {6 C5 C) x. I$ K6 {* A" a! h5 M1 l+ q* q( g4 s7 l- n! k1 P D9 E' r, @- Y% Y& a. I( O: `1 {* J( t' t7 ~5 L+ ]* n# b* E3 a5 y# w1 R# |' r: \" G/ O, E3 X v* O0 T9 E- Y/ r4 [- y! f1 O7 w6 f: x& l5 ]) s; X: C% V' `0 ^% r7 l! n* b- P3 l; F9 q0 E3 j: @" d/ j9 P. K z: J3 _1 }& |' a- p( d o3 v2 F6 b" S5 E5 I0 l! Y5 H& X+ G/ k* J8 g. V: u: v6 c! [& d3 e' G) L8 R/ M H, [" b e" U( N1 g! C- x8 c0 d7 f- Z1 Y" d: H( s$ V$ X4 ? r" y9 v$ I# g0 N0 i) d; J3 E, t3 Z2 m4 N" c a l1 m( {5 ], Y; F3 j5 l0 E/ n) v. G1 O6 G4 g+ I4 f5 Y1 c9 p7 J: ^9 p7 [/ j: m/ y6 i. W; q/ q# T7 l: q: q! _7 w, k/ ^0 {* A, a9 x1 A% A/ _& Z2 g5 U0 H4 X7 p! Q+ x# }2 p7 n$ Z: M2 r0 a
U/V # G, G) f& j$ d

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

: s0 ~+ Q9 z+ g9 D9 i

   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 T R$ ?2 y% L: P. R# ]+ M

- P7 i* O( }" z8 ^( o* d# m( [

图3 45号钢渗钼的金相照片

$ v _3 A* A( k) L( H8 r" i. w

  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。

8 n. V) g. D0 I* s1 y4 m7 b

3 结束语

$ f& z7 k' M' R! ? j# 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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