專利名稱：雙輝放電無氫滲碳共滲裝置及工藝的制作方法
技術領域：
本發明雙輝放電無氫滲碳共滲裝置及工藝屬于金屬材料等離子表面改性及離子轟擊化學熱處理技術領域。
由于鈦合金具有比強度高、耐蝕性能好、中低溫性能好，因而在航空、航天、化工、電力、海洋、醫療等領域得到廣泛的應用，而且作為尖端科學技術材料，將具有強大的生命力，但鈦合金存在表面強度不高耐磨性差等不足，所以國內外學者對鈦合金的表面強化的研究十分重視，其中鈦及鈦合金的無氫滲碳、無氫氮化就是研究的課題之一。
本發明雙輝放電無氫滲碳共滲裝置其特征在于，是在真空度1×10-2～5×10-2Pa并能充入氣體介質的真空容器3內，設有石墨源極1、陽極2，可以轉動的工件托盤系統，抽氣系統、供氣和測溫系統、送氣系統和轉動的工件托盤系統，轉動的工件托盤系統由工件托盤8、欲滲工件7和轉動機構11組成，抽氣系統由機械泵10和擴散泵9組成，測溫系統由測溫儀6和觀察窗5組成，送氣系統由供氣源4和進氣口14組成，欲滲工件7置于陰極托盤8上，石墨源極1置于欲滲工件7的正上方，陽極2位于石墨源極的上方，在陽極2和欲滲工件7之間連接一個可調的0～1200V直流負偏壓電源12，在陽極2和石墨源極1之間連接一個可調的0～1200V直流電源13，石墨源極1是由不同形狀、尺寸的高純度石墨制成，石墨源極1和欲滲工件(7)之間保持一定的距離。
所述的石墨源極1的形狀，是網狀、格柵狀、刷子狀、鋸齒狀和帶孔的平板狀，石墨網狀之間的距離為15～30mm，高度為40～50mm，面積大小由欲滲工件多少而定。所述的石墨源極1與欲滲工件7之間的距離為10～50mm。
采用上述的雙輝放電無氫滲碳共滲裝置進行無氫滲碳共滲的工藝為，首先由抽氣系統的機械泵10、擴散泵9將真空室3抽至高真空，極限真空度為1×10-2Pa～5×10-2Pa，而后由供氣系統4充入惰性氣體氬氣，接著由石墨源極1供電的直流電源13，工件偏壓電源12，分別供給電壓，石墨源極1和欲滲工件7清洗凈化后增加氣壓，此時在網狀石墨源極1內產生高密度的碳粒子流，在欲滲工件7負偏壓的吸引下高速轟擊欲滲工件7表面，依靠碳粒子轟擊與擴散碳滲入工件內部形成均勻的滲碳層，滲氮時停止通入氬氣，打開氮氣瓶閥門，供給高純度氮氣(99.99％)，工作氣壓為20～100Pa，重復上述過程，可實現無氫滲氮，若通入氬氣和氮氣的混合氣，比例分別為2∶8、3∶7、5∶5，壓力為20～100Pa時，重復上述過程可以實現無氫碳氮共滲，通入的氣體為氫氣和氬氣的混合氣，可合成類金剛石和金剛石薄膜。
所述的欲滲工件為金屬材料，特別是對氫氣敏感的吸氫較強的鈦及鈦合金。
所述欲滲工件7，滲碳、滲氮、碳氮共滲的溫度為800～1000℃，欲滲工件7偏壓為400～700V，石墨源極電壓為700～1000V，工作氣壓為20～100Pa。
在基片的材料為Si、硬質合金、W、Mo、Ti等材料表面以及普通碳鋼經離子滲鍍W、Mo、Ti后的表面，實現合成類金剛石和金剛石薄膜時通入的氣體為氫氣和氬氣的混合氣，分壓為100～500Pa，石墨源極電壓為800～1200V，石墨源極溫度為2000℃以上，基片溫度為800～1000℃，偏壓為50～300V。
以20鋼滲碳為例氬氣分壓20～100Pa，石墨源極電壓為700～1000V，工件偏壓為400～700V，工件溫度為950℃，保溫1～3小時，滲層厚度為50～500μm，表面碳濃度為0.95％。鈦及鈦合金無氫滲碳時氬分壓為20～100Pa，石墨源極電壓700～1000V，工件負偏壓400～700V，工件溫度900℃，保溫1～3小時，滲層厚度為20～100μm，在鈦及其合金表面形成TiC耐磨層。
合成類金剛石和金剛石薄膜時，通入氫氣和氬氣的混合氣，分壓為100～500Pa，石墨源極電壓為800～1200V，石墨源極溫度為2000℃以上，硅等基片的溫度為800～1000℃，偏壓為50～300V。
權利要求
1.一種雙輝放電無氫滲碳共滲裝置其特征在于，是在真空度1×10-2～5×10-2Pa并能充入氣體介質的真空容器(3)內，設有石墨源極(1)、陽極(2)，可以轉動的工件托盤系統，抽氣系統、供氣和測溫系統、送氣系統和轉動的工件托盤系統，轉動的工件托盤系統由工件托盤(8)、欲滲工件(7)和轉動系統(11組成)，抽氣系統由機械泵(10)和擴散泵(9)組成，測溫系統由測溫儀(6)和觀察窗(5)組成，送氣系統由供氣源(4)和進氣口(14)組成，欲滲工件(7)置于陰極托盤(8)上，石墨源極(1)置于欲滲工件(7)的正上方，陽極(2)位于石墨源極的上方，在陽極(2)和欲滲工件(7)之間連接一個可調的0～1200V直流負偏壓電源(12)，在陽極(2)和石墨源極(1)之間連接一個可調的0～1200V直流電源(13)，石墨源極(1)是由不同形狀、尺寸的高純度石墨制成，石墨源極(1)和欲滲工件(7)之間保持一定的距離。
2.按照權利要求1，所述的一種雙輝放電無氫滲碳共滲裝置，其特征是所述的石墨源極(1)的形狀，是網狀、格柵狀、刷子狀、鋸齒狀和帶孔的平板狀，石墨網狀之間的距離為15～30mm，高度為40～50mm，面積大小由欲滲工件多少而定。
3.按照權利要求1所述的一種雙輝放電無氫滲碳共滲裝置，其特征是所述的石墨源極(1)與欲滲工件(7)之間的距離為10～50mm。
4.采用上述的一種雙輝放電無氫滲碳共滲裝置的工藝，其特征是，首先由抽氣系統的機械泵(10)、擴散泵(9)將真空室(3)抽至高真空，極限真空度為1×10-2Pa～5×10-2Pa，而后由供氣系統(4)充入惰性氣體氬氣，接著由石墨源極(1)供電的直流電源(13)，工件偏壓電源(12)，分別供給電壓，石墨源極(1)和欲滲工件(7)清洗凈化后增加氣壓，此時在網狀石墨源極(1)內產生高密度的碳粒子流，在欲滲工件(7)負偏壓的吸引下高速轟擊欲滲工件(7)表面，依靠碳粒子轟擊與擴散碳滲入工件內部形成均勻的滲碳層，滲氮時停止通入氬氣，打開氮氣瓶閥門，供給高純度氮氣(99.99％)，分壓為20～100Pa，重復上述過程，可實現無氫滲氮，若通入氬氣和氮氣的混合氣，比例分別為2∶8、3∶7、5∶5，壓力為20～100Pa時，重復上述過程可以實現無氫碳氮共滲，通入的氣體為氫氣和氬氣的混合氣，可合成類金剛石和金剛石薄膜。
5.按照權利要求4所述的一種雙輝放電無氫滲碳共滲工藝，其特征在于所述的欲滲工件為金屬材料，特別是對氫氣敏感的吸氫較強的鈦及鈦合金。
6.按照權利要求4所述的一種雙輝放電無氫滲碳共滲工藝，其特征在于所述欲滲工件(7)，滲碳、滲氮、碳氮共滲的溫度為800～1000℃，欲滲工件(7)偏壓為400～700V，石墨源極電壓為700～1000V，工作氣壓為20～100Pa。
7.按照權利要求4所述的一種雙輝放電無氫滲碳共滲工藝，其特征在于在基片的材料為Si、硬質合金、W、Mo、Ti等材料表面以及普通碳鋼經離子滲鍍W、Mo、Ti后的表面，實現合成類金剛石和金剛石薄膜時通入的氣體為氫氣和氬氣的混合氣，分壓為100～500Pa，石墨源極電壓為800～1200V，石墨源極溫度為2000℃以上，基片溫度為800～1000℃，偏壓為50～300V。
全文摘要
雙輝放電無氫滲碳共滲裝置及工藝，屬于金屬材料表面改性技術范疇，具體來講是以制成特殊形狀的高純度石墨作為源極，利用輝光放電濺射原理及空芯陰極放電效應，在鋼鐵材料特別是鈦及鈦合金表面形成均勻的滲碳層，分別通入氬氣、氮氣、氬氣和氮氣的混合氣體可實現，無氫滲碳、滲氮及碳氮共滲，通入氫氣和氬氣的混合氣還可以在硅、硬度合金等基片上合成類金剛石和金剛石薄膜，具有滲速快，滲層均勻，設備簡單，成本低等優點。
文檔編號C23C8/30GK1390976SQ0211019
公開日2003年1月15日 申請日期2002年3月20日 優先權日2002年3月20日
發明者徐重, 潘俊德, 田林海, 唐賓, 張高會, 陳飛 申請人:太原理工大學