阴极电弧源离子渗金属技术及设备.pdf

本发明是利用低气压弧光等离子对工件渗入特定元素，形成渗金属层，以优化工件表面性能的技术，本发明的设备即是实现这一技术的工艺装备。
    目前，国内外在渗金属技术中，提供金属离子流的方式是多种多样的，太原工业大学徐重申请的专利技术“等离子表面冶金方法及设备”就是其中的一种比较有效的技术。

    这项专利的申请号：85    1    02057

    这是一种利用辉光放电热溅射源极提供金属离子流的双层或多层辉光离子渗金属技术，但由于辉光放电时的电流密度小，溅射速率低，金属电离几率小，所以其渗金属速率较低。例如，用该技术对低碳钢内渗钛元素，在1100℃时渗三小时，其渗层深度为155μm。

    本发明的任务是：提供一种在渗金属过程中能产生高密度离子流的技术和设备，用以增大金属离子到达被处理工件时的能量密度，提高渗金属速度，并增加高温沉积层的结合力。以便在工业化生产中提高渗金属效率和质量。

    本发明的要点在于它是采用阴极电弧蒸发器（14）作离子渗金属时的蒸发源、离化源和加热源，利用低气压弧光放电产生高密度金属离子流，同时对工件（10）提高负偏压，提高金属离子到达工件（10）的能量，以此对被处理工件（10）表面形成渗层的技术。

    本发明的设备特征是装有一个或多个阴极电弧蒸发器（14），并配置适当数量的支架（1）、机械泵（2）、扩散泵（3）、底盘（4）、真空室（5）、观察窗（6）、负偏压电源（7）、阴极夹具（8）、绝缘密封件（9）（13）、进气装置（11）、源极靶材（12）、弧源电源（15）、引弧电极（16）等装置组合形成的设备。

    以下，结合附图说明本发明的技术特征与结构。

    附图为阴极电弧源离子渗金属设备地结构示意图。

    图中：1、支架，2、机械泵，3、扩散泵，4、底盘，5、真空室，6、观察窗，7、负偏压电源，8、阴极夹具，9、绝缘密封件，10、被处理工件，11、进气装置，12、源极靶材，13、绝缘密封件，14、阴极电弧蒸发器，15、弧源电源，16、引弧电极。

    进行渗金属工作时，首先由机械泵（2）和扩散泵（3）将真空室（5）抽至高真空后，进气装置（11）再向真空室（5）内输入氩气，使真空室（5）内的工作气压保持在10-5～10-1torr的范围。被处理工件（10）安放在阴极夹具（8）上，阴极夹具（8）与负偏压电源（7）的负极相接。工作时，引弧电极（16）引燃弧光，按场致发射机制，由阴极电弧蒸发器（14）发射出高密度电子，弧光放电电压值范围16～30V，放电电流范围50～200A，这时在阴极电弧蒸发器（14）上，用来提供欲渗金属元素的源极靶材（12）表面产生迅速徘徊的微弧，每个微弧电流密度达105A/cm2以上，同时从靶材（12）上蒸发出的金属原子迅速被电离，电离几率达60～90%，即产生了高密度的离子流。此时负偏压电源（7）已对被处理工件（10）加500～2000V负偏压，使金属离子加速到达工件，使工件（10）被迅速加热，工作温度范围为800～1400℃，密度高达3～15mA/cm2的离子流使工件（10）产生晶体缺陷，金属离子很快就掺入工件（10）。以对低碳钢渗钛为例，在1100℃的温度时渗20分钟，工件（10）表面渗钛层就可达70μm以上。

    阴极电弧蒸发器（14）产生场致发射，同时它又处于水冷却状态，这样，欲渗金属制成的源极靶材（12）表面并不形成熔池，始终保持固态，因此，可以在真空室（5）内的不同位置上安装多个阴极电弧蒸发器（14），同时对多个工件（10）进行渗金属。

    本发明的等离子体渗金属技术，渗金属速率高，其设备结构简单，工艺操作简便，易于控制渗金属层成分，又能同时对多个工件（10）渗金属，所以，该技术实施于工业化生产时，生产效率比较高。本发明技术和设备可以获得纯金属渗层、或合金渗层、或化合物渗层、或渗镀层、或高温沉积层，如可获得钨、钼、镍、铬、钛、铝、锆、钽、铌等元素的纯金属渗层或合金渗层，及它们与碳、或氮、或氧的化合物渗镀层，更易获得多层渗镀层。用以提高工件的耐蚀性、耐热性、耐磨性等，提高工件的寿命，可以用普通金属材料表面经过渗金属处理后，取代价格昂贵的高合金材料。