專利名稱：金屬和非金屬元素等離子共滲工藝的制作方法
技術領域：
本發明金屬和非金屬元素等離子共滲工藝屬于表面冶金的范疇。
二.
背景技術：
1985年5月28日，由我國學者發明的“雙層輝光放電離子滲金屬技術”取得了美國專利權。該專利技術是利用稀薄氣體中的輝光放電及濺射現象，在真空容器中設置由欲滲合金元素組成的源極及放置工件的陰極，源極與陽極之間的輝光放電使合金元素濺射出來，并吸附于被離子轟擊加熱至高溫的工件表面，然后借助于沉積擴散過程使工件表面形成含有欲滲合金元素的合金層。
1987年6月20日，由我國學者發明的“鋸切工具離子滲金屬技術”是利用“雙層輝光放電離子滲金屬技術”在鋸切工具上的一個具體應用技術，其基本原理是首先利用雙層輝光離子滲金屬技術在金屬材料表面滲入所需的合金元素，(如W、Mo、Cr、V等)。其次進行滲碳處理，以獲得含有高碳高合金的表面合金層。第三進行后續熱處理，如淬火、回火。
三.
發明內容
本發明的目的在于將各種金屬元素和非金屬元素同時滲入被滲金屬材料表面，形成多種元素的表面合金層，如工藝需要，可在形成合金層的同時實施淬火工藝，一次達到高硬表面合金層。
本發明與以上兩個發明的不同之處是利用雙層輝光離子滲金屬技術，在通入惰性氣體氬氣或氮氣時，同時通入反應性氣體，如碳氫化合物氣體甲烷、丙烷等；含氮氣體如氨氣等；含硼氣體如乙硼烷等；金屬鹵化物氣體如四氯化鈦等。使反應性氣體中的元素參與離子濺射、電離和滲入過程，在源極中的元素滲入被滲金屬材料表面的同時，反應性氣體中的元素也被滲入被滲金屬材料表面。使被滲金屬材料表面經此工藝后一次形成具有既含源極中欲滲金屬元素，又有反應性氣體中元素的表面合金層。如含碳表面合金層、含氮表面合金層，含硼表面合金層等等。如工藝需要，還可以在形成表面合金層以后，直接提高工藝溫度或降低工藝溫度進行淬火。
金屬和非金屬元素的離子共滲工藝其特征在于利用雙層輝光離子滲金屬技術，在通入惰性氣體氬氣或氮氣的同時通入反應性氣體，使反應性氣體中的元素參與離子濺射、電離和滲入過程，在源極中的金屬元素滲入被滲金屬材料的同時，反應性氣體中的元素也同時滲入被滲金屬材料表面。使被滲的金屬材料一次形成具有既含有源極中欲滲的合金元素，又有反應氣體中的元素的表面合金層。根據工藝需要在形成表面合金層后，提高工藝溫度或降低工藝溫度，進行快速冷卻，達到淬火的目的。其具體工藝過程為采用一個可以抽真空并能充入惰性氣體和反應性氣體以形成一定氣體壓力的并且設置一個由欲滲金屬或合金元素組成的源極、放置被滲金屬材料的陰極、陽極接在爐體上，在陽極與陰極，陽極與源極之間各設置有0～1500V的可調直流電源或脈沖直流電源，沿爐殼內層設置具有輔助加熱源極和陰極功能的電阻加熱的熱源的密封容器，抽真空達1×10-1Pa后，同時通入隋性氣體如氬氣或氮氣和反應性氣體，碳氫化合物氣體甲烷、乙烷、丙烷、丙酮揮發氣；含氮氣體氨氣；含硼氣體乙硼烷；金屬鹵化物氣體四氯化鈦，其工作氣壓在10Pa～1333Pa的范圍，加入直流電壓或脈沖直流電壓，產生輝光放電的真空容器中的陰極與陽極之間的電壓在-300V～-700V范圍，源極與陽極的電壓在-800V～-1200V范圍，隨著離子轟擊的濺射作用將源極中的合金元素以離子、原子或粒子團的形式濺射出來，同時通入的反應性氣體不僅參與濺射，而且在電場的作用下被電離，產生活性的離子、原子和粒子團，這些活性離子，原子和粒子團隨同從源極中濺射出的金屬離子、原子或粒子團共同吸附于外加輔助熱源及陰極離子轟擊，處于高溫狀態的被滲金屬材料表面。使吸附于表面的活性物質擴散進入內部，形成表面合金層。而后根據需要，實施快速冷卻，進行淬火工藝。
在通入的反應性氣體中含非金屬元素、金屬元素或金屬元素和非金屬元素。
本發明的用途及優點1.將多次分步滲入工藝合為一次同時滲入工藝，節約能源、資源、簡化工藝、方便操作。
2.形成更合理，成分可控的含有多種合金元素與非金屬元素的表面層。
3.設備更緊湊，工藝更適用，操作更方便，更有利于技術的推廣和應用。
四.
具體實施例方式
下面將以在低碳鋼表面形成高碳高合金層為例，具體闡述本發明的特點。
實施例一將欲滲的合金元素W、Mo、Cr、V組成的板塊吊掛在源極上，被滲金屬材料20鋼放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地。抽真空達極限真空度1×10-1Pa后，通入惰性氣體氬氣到20Pa，然后通入反應性氣體甲烷到40Pa，在源極與陽極、陰極與陽極之間加入直流電壓，源極電壓在-1000V，陰極電壓在-500V，輔助加熱功率在3KW左右，升溫到1100℃保溫3小時，然后緩冷到室溫，即可獲得100μm的高碳高合金擴散層。
實施例二工藝過程基本同上，工藝參數變化如下氬氣先通到20Pa，后通反應性氣體到80Pa，源極電壓-1200V，陰極電壓-300V，工作溫度800℃，保溫3小時，然后緩慢冷到室溫，即可獲得20μm表面反應沉積高碳高合金層及30μm高碳高合金擴散層。
本發明如同時或分別通入反應性氣體，如碳氫化合物氣體，氨氣，含硼氣體或金屬鹵化物氣體等，可以一次形成表面含碳、氮、硼的金屬化合物層或含鹵化物氣體中元素的合金層。
本發明在通入反應性氣體，如碳氫化合物氣體，氨氣，乙硼烷氣體或金屬鹵化物氣體，形成高合金碳、氮、硼化物層或多種元素合金層后還可直接提高溫度或降低溫度，采用快冷的方式，實施淬火工藝。
權利要求
1.一種金屬和非金屬元素的離子共滲工藝其特征在于利用雙層輝光離子滲金屬技術，在通入惰性氣體氬氣或氮氣的同時通入反應性氣體，使反應性氣體中的元素參與離子濺射、電離和滲入過程，在源極中的金屬元素滲入被滲金屬材料的同時，反應性氣體中的元素也同時滲入被滲金屬材料表面，使被滲的金屬材料一次形成具有既含有源極中欲滲的合金元素，又有反應氣體中的元素的表面合金層，根據工藝需要在形成表面合金層后，提高工藝溫度或降低工藝溫度，進行快速冷卻，達到淬火的目的，其具體工藝過程為采用一個可以抽真空并能充入惰性氣體和反應性氣體以形成一定氣體壓力的并且設置一個由欲滲金屬或合金元素組成的源極、放置被滲金屬材料的陰極、陽極接在爐體上，在陽極與陰極，陽極與源極之間各設置有0～1500V的可調直流電源或脈沖直流電源，沿爐殼內層設置具有輔助加熱源極和陰極功能的電阻加熱的熱源的密封容器，抽真空達1×10-1Pa后，同時通入隋性氣體如氬氣或氮氣和反應性氣體，碳氫化合物氣體甲烷、乙烷、丙烷、丙酮揮發氣；含氮氣體氨氣；含硼氣體乙硼烷；金屬鹵化物氣體四氯化鈦，其工作氣壓在10Pa～1333Pa的范圍，加入直流電壓或脈沖直流電壓，產生輝光放電的真空容器中的陰極與陽極之間的電壓在-300V～-700V范圍，源極與陽極的電壓在-800V～-1200V范圍，隨著離子轟擊的濺射作用將源極中的合金元素以離子、原子或粒子團的形式濺射出來，同時通入的反應性氣體不僅參與濺射，而且在電場的作用下被電離，產生活性的離子、原子和粒子團，這些活性離子，原子和粒子團隨同從源極中濺射出的金屬離子、原子或粒子團共同吸附于外加輔助熱源及陰極離子轟擊，處于高溫狀態的被滲金屬材料表面。使吸附于表面的活性物質擴散進入內部，形成表面合金層，而后根據需要，實施快速冷卻，進行淬火工藝。
2.根據權利要求1，通入的反應性氣體含非金屬元素、金屬元素或金屬元素和非金屬元素。
全文摘要
金屬和非金屬元素的等離子共滲工藝,屬于表面冶金的范疇,主要解決金屬和非金屬元素等離子共滲的表面合金化問題。其特征在于:利用雙層輝光離子滲金屬技術,在通入惰性氣體的同時通入帶有非金屬元素的反應性氣體,使反應性氣體中的元素參與離子濺射、電離和滲入過程,在源極中的金屬元素滲入被滲金屬材料的同時,反應性氣體中的非金屬元素也同時滲入被滲金屬材料表面,從而實現一次形成金屬非金屬元素共滲的表面合金層。
文檔編號C23C12/02GK1346902SQ01141329
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月28日 優先權日2001年9月28日
發明者高原, 徐重 申請人:太原理工大學