双层辉光离子渗碳装置及工艺

一、技术领域

本发明双层辉光离子渗碳装置及工艺属于金属材料表面化学热处理工艺 技术的范畴。具体的来讲是一种在导电物质的表面利用双层辉光离子渗金属技 术及空心阴极效应进行离子渗碳与碳—氮共渗的技术和装置。本发明提供了一 种以石墨为供给碳源的新的渗入装置和方法。

二、背景技术

现有的渗碳方法，如固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、膏剂渗碳，可控气 氛渗碳，真空渗碳及辉光离子渗碳方法，均存在着不同方面的缺点。固体、液 体、气体渗碳渗速慢、成分可控性差、污染环境。膏剂渗碳，劳动条件差，可 控性差，劳动强度大，处理时间长。真空渗碳及辉光离子渗碳设备复杂、成本 高，供碳源为易燃的气体，气源供给不方便等缺点。

本发明的基本思路是利用双层辉光离子渗金属技术。此技术于1985年在美 国申请专利，并获批准，专利号为4520268。双层辉光离子渗金属技术在锯切 工具方面的应用也申请了中国专利，专利号为87104358.0。本发明与以上两个 专利有着本质的不同，美国专利4520268中只进行金属元素的溅射渗入，不包 括非金属元素碳。中国专利87104358.0中，是在使用双层辉光离子渗金属技 术渗入金属元素后再进行渗碳、淬火、回火的一种具体的应用工艺。其渗金属 技术未包括渗碳，后续的渗碳技术是采用一般的气体渗碳工艺。

三、发明内容

本发明利用双层辉光放电中的空心阴极效应及不等电位空心阴极效应，将 简单、方便、成本低廉、资源丰富的石墨碳作为供给渗碳及共渗时的源极，利用 阴极溅射现象，将源极石墨碳原子溅射出来，被溅射出的碳离子、碳原子及碳的 粒子流吸附与源极相对而置地工件，在高温下扩散进入内部，从而在工作表面形 成渗碳层，当充入含氮气氛如NH3等时，可以实现碳氮共渗。本发明提供了一种 碳原子形成方便、快捷、渗入速度快，渗层均匀，成份可控，设备简单，成本低 的辉光放电空心阴极离子渗碳技术及其装置。本发明双层辉光离子渗碳装置及 工艺的设备主要有可以转动和升降的阴极转动系统1，阴极转动系统上有阴极托 盘2，中空的辅助阴极3，工件4，提供渗碳用的石墨源极5接地(阳极)的真 空容器6，高压直流加热电源7，高压直流溅射电源8，抽真空系统9，进气系 统10等所组成。本发明设备的技术特特征是高压直流加热电源7的阴极接在工 件4上、高压直流溅射电源8的阴极接在石墨源极5上，高压直流溅射电源和高 压直流加热电源的阳极都接在接地的真空容器6上，工件4放置在辅助阴极3空 腔内的阴极托盘2上，本发明采用稀薄气体辉光放电中的等电位空心阴极效应及 不等电位空心阴极效应，将简单、方便、成本低廉、资源丰富的石墨碳作为供给 渗碳及共渗时的源极，利用阴极溅射现象，将源极石墨碳原子溅射出来，在高温 下扩散进入工件内部，从而在工作表面形成渗碳层。当充入含氮气氛如NH3等时， 可以实现碳-氮共渗。

本发明装置涉及的石墨源极材料为石墨碳，采用吊挂式或放置式均可，其几 何形状一般采用仿工件外表面几何形状制作，也可以是板状、刷子状、条状、圆 弧形状、丝状、网状、桶状。

本发明装置涉及的工件与工件之间、工件与辅助阴极之间，工件与源极之间 的距离为10～20mm，其目的是为了产生辉光放电中的空心阴极效应，中空的辅助 阴极可以是方桶形、圆形桶、长方桶形等，其材质或是金属或是石墨。

本发明装置涉及的高压直流溅射电源和高压直流加热电源也可以是脉冲直 流高压电源。电压从0～2000v连续平稳可调。

本发明工艺参数所涉及的范围是，真空容器的极限真空度为10-1Pa，可充入 工作气体介质Ar或N、或NH3，工作气压为13.3Pa～1333Pa。工件温度500℃～1300℃， 渗碳保温时间视工艺要求而定。高压直流溅射的源极电压-800V～-2000V。高压直 流加热的工件电压-200V～-800V。

本发明如同时通入工作气体介质含有NH3或氮气，则会使工件表面形成碳- 氮共渗层。

本发明可以在一切钢铁材料的工件表面实现渗碳、碳-氮共渗。

本发明的工艺技术特征是，由于工件阴极与工件阴极，工件阴极与石墨源极， 石墨源极与石墨源极之间的等电位空心阴极效应及不等电位空心阴极效应，强烈 的离子流将源极中的石墨以碳原子、碳离子或各种碳粒子的形式溅射出来，辅助 阴极的作用有两个：一是产生空心阴极效应并加热工件，二是将各种碳粒子束缚 在空腔内，形成较高的渗碳碳势，使碳原子极快的吸附在工件表面，扩散进入工 件内部，形成表面渗碳层。如此时工作介质含有NH3或氮气，则会使工件表面形 成碳-氮共渗层。 本发明的优点在于，其一采用低价资源丰富、方便、简单的非金属材料石墨做为 供碳源，其二利用辉光放电中的阴极溅射现象，将碳原子、碳离子及碳粒子溅射 出来，工件表面成份依源极电流电压实现可控，方便无污染。其三，充入其它气 体可方便实现工件表面的多种元素共渗层，如充入NH3可实现C-N共渗。其四， 利用空心阴极效应，将物理手段施实于化学热处理中，提高了渗入速度。其五可 在导电材料上实施无氢渗碳。

四、附图说明

附图为本发明双层辉光离子渗碳装置及工艺的设备结构图

图中标号为：

可以转动和升降的阴极转动系统1，阴极转动系统上有阴极托盘2，中空的 辅助阴极3，工件4，提供渗碳用的石墨源极5接地(阳极)的真空容器6，高 压直流加热电源7，高压直流溅射电源8，抽真空系统9，进气系统10。

五、具体实施方式

本发明的实施例如下：如附图所示。在尺寸为80mm×50mm(直径×高)中空的 钢制辅助阴极3内放置尺寸为40mm×20mm(直径×高)20钢工件4一件，在辅助 阴极3内沿圆周悬挂尺寸为25mm×20mm×5mm(长×宽×厚)的石墨条5条，保证石墨 源极条5在辅助阴极3内径和工件4的外径距离的中间。抽真空达10-1Pa后，充 入氩气到40Pa，在工件4与真空容器6之间，加入高压直流加热电压-500V， 在石墨源极条5与真空容器6之间，加入高压直流溅射电压-1000V，待工件升温 到1000℃，保温1.5小时，降到室温，出炉取出试样。可获得表面渗碳层厚度 0.8mm，表面含碳量0.9％的渗碳结果。