强光离子渗金属

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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。
1　试验装置的结构
　　强光离子渗镀金属试验装置如图1所示。

+ l1 A8 ?( k3 z" G$ S1-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
  ^. Z  V! p2 b1 V7 o9-高压电源　10-渗镀料　11-上盖板
, m% Z7 b( Z! \) C图1　结构示意图
; W1 b+ N: Y# {　　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。
7 s$ l# D9 ~- v& _　　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。
- W  ^% ?0 b/ U" t6 u, D! \' J* x2　放电特性
/ Q8 `6 G0 b% }6 h* ~　　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。
$ _; v" I( m+ S4 E  j; Z
Ⅰ-辉光放电特性　Ⅱ-强光放电特性
图2　辉光放电的伏安特性曲线图
表1　实验数据
6 i& a$ _$ E" q; YU/V
- \4 G5 @- N' w# U9 Q5 ZI/mA
　
) \. _( j4 F  o3 E/ Q550
# [# b" a! P' k3 ?4.0
( O2 R1 `: F$ J5 }7 Q4 j0 M/ z(1)氩气压力＝2.6Pa
(2)阴阳级板距离＝7cm
% F& N) K% G2 u( K7 L/ s(3)阴阳极板直径＝13cm
560
4.0
600
5.0
640
' j3 W2 d0 @. s0 O6 a, J6.0
' t" s, N3 s; |! K* P9 z4 w2 ^700
7.0
- e' C1 G6 ]5 w0 h. x* w; E750
8.0
800
8.6
900
" L/ y- q* R( k' k: ^9.2
1000
10.0
$ ^  M5 G& n; T- |$ [9 a+ s　　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。
表2　实验数据
U/V
I/mA
1 O/ I6 W: [9 a- W" V( A　
540
5 R# X3 B: r: f3 g& T' {4 z6 ~7 Y10.0
6 ^% D0 G3 K+ v  [+ t(1)氩气压力＝2.6Pa
(2)阴阳级板距离＝7cm
(3)阴阳极板直径＝13cm
  w( P7 x5 y4 b' i7 F562
, F, ^& S$ }0 l- U0 ~; V6 M- Q15.0
" [1 m& T! T  S9 x569
17.5
7 @5 X& s6 q# s. z( t9 Q$ e570
18.0
589
20.0
/ S2 R: T& q3 J2 Z# j$ o439
/ k+ S) n- j: V6 L' e, V' d3200.0
: ], i3 A$ H1 b. c: D4 m2 s4 n478
3210.0
479
1 J8 _7 _" R  c9 a6 C3220.0
, C' s( p# s! z% Q487
3500.0
! V8 }: d5 ^4 g4 ^+ Q& M512
3700.0
4 G! w8 N- O  H7 O5 h+ ~! {/ Y560
3900.0
2 Q" ?. a$ n! O2 ~+ J& J　　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: t# U, h5 J) Y% Y
2 d8 F" ?, x5 Y. z+ ~, M图3　45号钢渗钼的金相照片
* l$ ]. ]* C  D% f( m　　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。
4 {5 t2 E1 J! R# t- s+ l6 m8 [! T　　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。
9 v9 ]" E7 W/ r" f1 n　　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。
: ?! `" }7 ~2 T+ g; l  Y, y　　则：Je＝AT2e-(eφ/KT)(A/cm2)
) ?7 h, T& G% _3 _( H' \2 d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。
" ^" g: _7 d# |* c& j. C$ R2 V$ z　　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。
5 l3 ?& ]2 a' ^& R8 H( \3　结束语
6 [4 ^$ l# d; f& @8 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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