强光离子渗金属

HEATS

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。

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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

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　　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。

2　放电特性

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　　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。

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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

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8 U$ e7 S6 D4 Z+ i& w& C- D M' \ q1 S+ B( |$ L* P& K1 A* _& {3 e8 I9 v6 E( O, R1 |2 v$ J" H0 j* H2 g/ ]" r" X- c6 Q3 ?! v/ |7 S. E6 n$ U& d( a0 ]! ]! f+ X7 i* r8 d& J! e- i" h7 z6 `& c/ l T u& B% \' z9 a/ b3 u% I* y+ }( f: o y' {, r* g: b/ j. |/ W

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

　　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

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8 \8 ?, p: S& {0 n4 Q" S6 ]# @6 v3 z, X% u' N4 ~1 }1 z- y4 \0 V7 N9 K* y, w% N4 p9 \2 F* s8 ?2 |9 N, Y: `: |' |- b; d+ f) ?" X& W6 h4 P0 L$ d. U" x0 J! K5 i* n, V! O/ s& P' ~7 v3 j- N& e9 P3 S8 u1 I$ d! ^3 T0 h4 _& k' y T& l$ Q) R% y/ x. i9 M( K3 e, i3 d4 Z7 e( f! g6 u" I4 N* \) d- c9 J" n E# j$ G! p: F! ?9 U7 x. j: d" T6 w9 l/ R+ E- w* S3 v4 R* e3 J* x; o; p# e( _' ?; o/ N9 D. i. O* |3 _, Z3 w. o% U' R" z! s% P5 Y9 x+ y! s9 w" f- | S9 U4 P' l8 v) B4 k- B/ Y8 r3 h, r0 x& r+ F9 T, Q/ D! _% \4 p( b' k, S" D" M

U/V	0 B% h0 x" P# @9 L I 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

O2 H. J. I- u' E' M2 S% y) O3 h

 　　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。

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图3　45号钢渗钼的金相照片

　　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　结束语

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　　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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