專利名稱：三柵極式離子滲鍍設備及工藝的制作方法
技術領域：
本發明三柵極式離子滲鍍設備及工藝屬于表面冶金范疇。具體來講是一種利用三柵極濺射轟擊加熱PLUME效應、“燒孔效應”，在導體、非導體工件基材表面形成鍍層、擴散層和擴散層與鍍層復合層的設備和工藝。
本發明三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于由爐罩(15)、S極(16)、P極(17)、W極(18)、真空系統(19)、工作氣體(20)、W極直流電源(21)、S極直流電源(22)、P極直流電源(23)、爐底板24組成，本發明設備配置三套高壓直流電源W極直流電源(21)、S極直流電源(22)、P極直流電源(23)，功率均為5～10千瓦，電壓可調范圍均為0～1500V，三套直流電源的陰極分別接在三柵極中的S極(16)、P極(17)和W極(18)上，陽極接在爐罩(15)和爐底板(24)，真空系統(19)的真空極限要求達到5×10-4Pa。
本發明三柵極式離子滲鍍設備工作時，首先抽真空到5×10-4Pa～5×10-1Pa，充入工作氣體20(如Ar氣)，到工作氣壓5Pa～60Pa，而后在三柵極上分別加上工作電壓，在三柵極的PLUME效應、“燒孔效應”作用下，將固體材料制成的S極16和P極17中欲滲鍍元素以離子、原子、粒子團的形式濺射出來，并向W極18工作表面運動，吸附于工件表面，由工件表面的溫度高低情況，實現工件表面鍍層、擴散層和擴散層與鍍層復合層。
本發明用于提供滲鍍元素的S極16可以的導電的固體物質，也可以是非導電的固體物質。用于提供滲鍍元素的P極17必須是導電固體物質。W極18可以是導電的固體物質，也可以是非導電的固體物質。
在本發明設備(附圖
3)中，S極16、P極17、W極18可以在爐內同軸豎直放置，也可以同軸水平或其它方向放置。P極17的孔或縫可以是一個，也可以成排、成面的多個組成。S極16、P極17、W極18在工作時可以是固定不動的，也可以在輔助旋轉設備驅動下旋轉。
本發明設備中三柵極工作電壓設置模式有19種，即有當VS≠0，VP≠0，VW≠0時VS＞VP＞VW；VS＞VW＞VP；VP＞VS＞VW；VW＞VS＞VP；VP＞VW＞VS；VW＞VP＞VS；VS＝VP＞VW；VS＝VP＜VW；VS＝VW＞VP；VS＝VW＜VP；VW＝VP＞VS；VW＝VP＜VS；當VS＝0，VP≠0，VW≠0時VP＞VW；VP＜VW；VP＝VW；當VS≠0，VP≠0，VW＝0時VS＞VP；VS＜VP；VS＝VP；
當VS＝0，VW＝0時VP≠0。
本發明三柵極式離子滲鍍設備(附圖2)，是由S極9(源極)、P極10(PLUME極)、W極11(工件極)構成，其工作電壓分別為S極9工作電壓VS12、P極9工作電壓VP13和W極9工作電壓VW14。當把三柵極式結構放在可以抽成真空的容器中，在通有工作氣體(如Ar氣)的條件下，當給S極、P極和W極分別施加相應的工作電壓時，由于具有空心陰極PLUME效應(不是空心陰極LAMP效應，即不是空心陰極燈效應)的P極與S極、W極之間的相互作用，將產生一種我們在實驗中發現的新效應，即S極、P極工作區域將產生極強烈的濺射現象，我們命名這種新發現的新效應為“燒孔效應”，它是本發明的重要依據，是本發明系統滲鍍所用離子主要來源。
本發明的優點為(1)利用三柵極濺射轟擊加熱作用的PLUME效應、“燒孔效應”，實現工件表面的單元或多元共滲、鍍或滲鍍層。(2)滲鍍元素可以是金屬固體材料，也可以是非金屬固體材料。(3)工件材料可以是金屬固體材料，也可以是非金屬固體材料。(4)三柵極的工作電壓設置模式多樣化。
實施方式2.如附圖(3)所示，設置工件極W極18為25×25×3(mm)的20鋼工件。S極16、P極17設置為固態石墨。抽真空系統19達5×10-1Pa后，充入工作氣體20氬氣到工作氣壓30Pa。在工件極W極18和爐罩15之間加入W極直流電源21的直流工作電壓800V，用離子轟擊清理工件表面10分鐘，然后將此電壓降到300V。分別在爐罩15與S極16、P極17之間加入S極直流電源22和P極直流電源23的直流工作電壓500V，在工件溫度達到980℃后，保溫1小時后，關掉所有三柵極的電源，待工件降到室溫出爐。20鋼工件表面可獲得1cm的滲碳層。
實施方式3.如附圖(3)所示，設置工件極W極18為25×25×5(mm)的純鈦TA2工件。S極16設置為銅板。P極17設置為固態石墨。抽真空系統19達5×10-3Pa后，充入工作氣體20氬氣到工作氣壓26Pa。而后在工件極W極18和爐罩15之間加入W極直流電源21的直流工作電壓800V，用離子轟擊清理工件表面50分鐘，然后將此電壓降到240V。在爐罩15與S極16之間加入S極直流電源22的直流工作電壓200V，爐罩15與P極17之間加入P極直流電源23的直流工作電壓350V，在工件溫度達到800℃后，保溫1小時后，關掉所有的三柵極的電源，待工件降到室溫出爐。純鈦工件表面可獲得30μm的碳銅擴散層和150μm的碳銅沉積層。
實施方式4.如附圖(3)所示，設置工件極W極18為25×25×5(mm)的鈦合金TC4工件。S極16、P極17設置為固態鋁材。抽真空系統19達5×10-3Pa后，充入工作氣體20氬氣到工作氣壓20Pa。在工件極W極18和爐罩15之間加入W極直流電源21的直流工作電壓800V，用離子轟擊清理工件表面50分鐘，然后將此電壓降到400V。分別在爐罩15與S極16、P極17之間加入S極直流電源22和P極直流電源23的直流工作電壓450V，在工件溫度達到900℃后，保溫2小時后，關掉所有的三柵極的電源，待降到室溫出爐。鈦合金工件表面可獲得40μm的鋁擴散層和180μm的鋁沉積層。
實施方式5.如附圖(3)所示，設置工件極W極18為25×25×5(mm)的熔鑄云母。S極16、P極17設置為固態鋁材。抽真空系統19達5×10-3Pa后，充入工作氣體20氬氣到工作氣壓30Pa。在工件極W極18和爐罩15之間不加入W極直流電源21的直流工作電壓，使其VW＝0伏。分別在爐罩15與S極16、P極17之間加入S極直流電源22和P極直流電源23的直流工作電壓450V，在工件溫度達到800℃后，保溫2小時后，關掉所有的三柵極的電源，待降到室溫出爐。熔鑄云母工件表面可獲得200μm的鋁沉積層。
實施方式6.如附圖(3)所示，設置工件極W極18為25×25×5(mm)的固態石墨。S極16設置為固態鋁材，P極17設置為固態石墨。抽真空系統19達5×10-1Pa后，充入工作氣體20氬氣到工作氣壓40Pa。在工件極W極18和爐罩15之間不加入W極直流電源21的直流工作電壓350伏。分別在爐罩15與S極16、P極17之間加入S極直流電源22和P極直流電源23的直流工作電壓450V，在工件溫度達到1000℃后，保溫2小時后，關掉所有的三柵極的電源，待降到室溫出爐。固態石墨工件表面可獲得200μm的碳鋁沉積層。
權利要求
1.一種三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于由爐罩(15)、S極(16)、P極(17)、W極(18)、真空系統(19)、工作氣體(20)、W極直流電源(21)、S極直流電源(22)、P極直流電源(23)、爐底板24組成，本發明設備配置三套高壓直流電源W極直流電源(21)、S極直流電源(22)、P極直流電源(23)，功率均為5～10千瓦，電壓可調范圍均為0～1500V，三套直流電源的陰極分別接在三柵極中的S極(16)、P極(17)和W極(18)上，陽極接在爐罩(15)和爐底板(24)，真空系統(19)的真空極限要求達到5×10-4Pa。
2.按照權利要求1所述的一種三柵極式離子滲鍍設備的使用工藝，其特征在于首先抽真空到5×10-4Pa～5×10-1Pa，充入工作氣體(如Ar氣)，到工作氣壓5Pa～60Pa，而后在三柵極上分別加上各自相應的工作電壓，利用三柵極的PLUME效應、“燒孔效應”的作用，將固體材料制成的S極(16)和P極(17)中欲滲鍍元素以離子、原子、粒子團的形式濺射出來，并向W極(18)工件工作表面運動，吸附于工作表面，在工件表面溫度達到工藝要求后，保溫一段時間，然后冷卻到室溫出爐，由工件表面的工藝要求溫度高低情況，實現工件表面鍍層，擴散層和擴散層與鍍層復合層。
3.按照權利要求1所述的一種三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于所述的P極(17)的孔或縫可以是一個、一排多個、一面多個。
4.按照權利要求1所述的一種三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于所述的S極(16)是金屬或非金屬固體材料。
5.按照權利要求1所述的一種三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于所述的W極(18)是金屬或非金屬固體材料。
6.按照權利要求1所述的一種三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于所述的P極(17)是導電固體材料。
7.按照權利要求1所述的一種三柵極式離子滲鍍設備，其特征在于所述的S極(16)、P極(17)和W極(18)是固定不動的，可以在旋轉輔助設備下旋轉。
全文摘要
三柵極式離子滲鍍設備及工藝屬于表面冶金范疇。具體來講是一種在金屬、非金屬固體基材表面形成鍍層、擴散層和擴散層與鍍層復合層的設備和工藝。其特征在于:在可以抽成真空容器中,同軸設置兩個欲濺射元素靶柵極和一個欲沉積或被滲元素的工件柵極,既形成具有PLUME效應、“燒孔效應”的三柵極柵極結構。本設備配置三套高壓直流電源,靶柵極和工件柵極分別接在各自直流電源的陰極,三個電源的陽極接在爐罩和爐底板上。系統工作時,利用三柵極PLUME效應、“燒孔效應”的濺射轟擊加熱作用,實現欲滲元素(金屬或非金屬的)在工件基材表面(金屬或非金屬的)的沉積或滲入。
文檔編號C23C14/42GK1388269SQ0211030
公開日2003年1月1日 申請日期2002年4月18日 優先權日2002年4月18日
發明者容幸福, 徐重, 蘇永安, 秦林 申請人:太原理工大學