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强光离子渗金属

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发表于 2011-7-13 23:58:25 | 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。# ^; g1 v* R, }/ M
1 试验装置的结构
8 n/ O' q1 L1 f; O  强光离子渗镀金属试验装置如图1所示。2 T) ]/ k0 @; P& [, K
0904011320466062.bmp
# r# j" p3 [3 a/ }5 g6 B1 Z" w6 P1-钟罩 2-阳极 3-偏压环 4-桶形阴极
! W6 r) r/ z- Y3 O' R5-阴极座 6-工件 7-夹具 8-偏压电源
6 y( L( ~$ [4 Q: s' ?: A8 {% Z( X9-高压电源 10-渗镀料 11-上盖板( J0 |, a1 x) \
图1 结构示意图
8 R, o1 G) T+ J2 T5 r: w9 c  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。
% d& u0 D2 D3 T! U$ A" G5 d% T  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。
8 T, e0 U2 Z, b  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。0 `- O1 Q2 v5 G9 e
2 放电特性
* K, D7 A& Y: l2 x  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。! _% u  q2 d0 R% Y. V) i
0904011320549751.bmp
' }) H$ `, x8 g. ]0 W) dⅠ-辉光放电特性 Ⅱ-强光放电特性
9 Z  X6 x2 z5 H- Q图2 辉光放电的伏安特性曲线图. K) \7 L6 y# z# N( O5 G3 _- q
表1 实验数据- d- f1 J, N  F2 }4 w& q" A# _
U/V
, Z$ E8 x8 I+ |$ F, c+ i1 gI/mA
: C5 B( u0 N# v( w" u( ]4 n : F3 b2 |, B. g; z, ~
550
* ]9 D" _. Z0 h" }0 R0 h4.0
- _9 B5 k  a9 |" J* L( u3 K(1)氩气压力=2.6Pa, U8 I1 f) R3 H
(2)阴阳级板距离=7cm
, g3 D+ a* W3 b& ?  X(3)阴阳极板直径=13cm
: K, v/ z. \, P! \6 N560* {0 N- N4 ]( d' L# M' x
4.08 ~7 ~9 {* d6 m& o( l9 O# e9 B5 e
600
6 Q5 I, N% G! J  M% p7 T5.0
" J/ g# x& S  ~* u0 z  `! n640
" ~. |2 w) ?  T8 Z, h7 T6.0
8 r; b+ E" q7 o+ W700, c2 u# e9 C4 r  F1 R, J7 ~
7.0
& U- E  s! W4 j* v( d0 D& R4 k750
' i/ D. S3 \: W8.0% f, I- s9 i  c! R9 K
8005 g1 W+ w' m! `, ^: Z' c
8.67 q, x% T, V! h6 R7 N! |7 g. J
9001 x' L5 @3 A8 m: a9 X8 V4 C* |( p
9.2; N8 e% l. w) K
1000, R8 ?! z4 s1 j# v
10.0
/ S1 V, b1 F+ V! m* K, c& i6 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。. v: M8 n9 [: q2 f) E1 i8 f
表2 实验数据
1 P* N+ u8 O; P7 v. s- jU/V
/ n2 k" p+ T" G- ]; VI/mA7 z3 g/ }/ a# {, U
 . W9 ]- f. C8 i' x" L: ?
540
6 j  D3 z& K6 Z10.04 Z( w5 P- B6 `, I
(1)氩气压力=2.6Pa
) ~' |: d0 [9 `) c" e(2)阴阳级板距离=7cm% N- G/ w; a& z8 V0 U: {
(3)阴阳极板直径=13cm
( j. I7 q4 y& H( I562
3 y# i3 E& m: X15.0
( W! j* I% O5 H, s5698 Q; J) X% C4 I- Q' ?. C. y5 X9 |
17.5
8 F3 }- s+ s* L( a6 ^+ C. Y570) y1 H8 A9 L: |  }
18.0+ T! d3 n, N& w+ v- x0 ?
589
# s! |! y- c3 ]  X( i# {20.0
7 k6 ^# H" ^/ F4399 z3 m# ]8 _1 }( l* E
3200.0: u. o, A) h2 E* X4 l
478
$ [% y8 T" t3 U. q: f9 S3 I! o3210.0: I7 C+ Y, c" t9 t4 Z# ?
479
/ E! `  x: o& [! R: B3220.09 g) E5 F& Q  L5 Q+ Y9 E
487* N  t  n! c( E% Z
3500.0
) w. n" r$ {* p, y' N9 q2 J5123 B7 C& w# ^. F2 a
3700.03 F2 `+ r7 ~. y4 ?- L2 e& f9 h4 [
560) G' s1 d3 H3 K- R; `/ `* H2 R- {6 X2 J
3900.05 W, z9 A4 L3 S  q# k
  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。
# d0 w0 H5 N. W9 q' A9 G5 i 0904011321087871.bmp 7 }& \3 \, m; [2 o+ h) a0 l; f8 J
图3 45号钢渗钼的金相照片' A% D' O0 n7 v
  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。
) H2 h( B9 H. u  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。
' N/ p; M4 |$ o/ G1 d: P  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。
& y! s! b' a* i  h1 Y& \  则:Je=AT2e-(eφ/KT)(A/cm2)- a. S: J$ {9 J3 Y9 o( `; |' N  T$ T
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。
# `0 `, {& }: z; U0 N' f! B* Y  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。0 l, d( I7 I1 I( t1 M4 z! c
3 结束语+ X+ R* h- J* d& F! l3 @& S+ Z
  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】7 g" e5 c. r) b* `
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