脉冲辉光放电等离子表面冶金技术

摘要

一种脉冲辉光放电等离子表面冶金技术，属于表面冶金的范畴，其特征在于是在密闭的真空室内放置欲渗金属元素作为源极，被渗工件作为阴极，并放置公共阳极，在源极和阳极之间以及阴极和阳极之间配置两套脉冲直流电源，在一定条件下很好地解决了小孔、窄槽、深孔、渗金属的难题，促使渗金属表面合金含量增高，渗层厚度增加，晶粒细化，源极溅射量增加，而且其参数之间相互影响较小，可以彼此独立地进行调节，灭弧效果好，升温速度快，节省时间及能源。

说明书

本发明脉冲辉光放电等离子表面冶金技术属于表面冶金的范畴，具体而言是一种材料表面进行改性的新工艺方法。

目前，工业中对材料的性能要求越来越高，而材料的失效又常常集中在表面上，因此，在价格低廉的材料表面渗镀高性能的材料以代替昂贵的整体合金，进行材料表面改性，具有很高的实用价值。

现已公开的美国专利双层辉光离子渗金属技术(专利号为4520268)是在一密封容器内设置源极、阳极和阴极，源极和阳极以及阴极和阳极之间分别外接一可调压直流电源进行控制，利用不等电位空心阴极效应在材料表面渗入合金元素，另已公开的中国专利CN87104358是将双层辉光离子渗金属技术应用于锯切工具，对锯齿表面进行改性，形成类似高速钢成分的合金层。

在利用双层辉光离子渗金属技术进行表面合金化以及实现产业化的过程中，对于小孔、窄槽、深孔的渗金属仍是一个难题，常出现问题有三种：渗不进去，辉光集中和弧光放电，例如当被叠放的锯条不整齐时(这在实际生产中很难避免)，凡凹进去的锯条渗层深度往往达不到要求而成为废品。

本发明脉冲辉光放电等离子表面冶金技术目的是利用脉冲辉光放电过程中所具有的能量集中，有间歇性，频率可调等特点，旨在解决上述双层辉光离子渗金属中存在的问题，从而提出一种用脉冲辉光放电代替直流辉光放电渗金属的技术方案。

本发明脉冲辉光放电等离子表面冶金技术是在密闭的真空室内设置欲渗金属元素作为源极，被渗工件作为阴极，并放置公共阳极，源极和阳极以及阴极和阳极之间配置两套脉冲电源或将其中之一设置为脉冲电源，另一仍为可调压直流电源，其中脉冲电源为连续的电流波形为矩形的脉冲直流电源。

辉光放电时，阴极位降区长度 $>{}_{}$_k值，实现孔缝内渗金属。工作时通人保护气体或反应气体，气压范围1.33～2000Pa，峰值电流0～200A，占空比0.05～0.95，频率0.02～200KHz，工件渗金属温度800～1200℃。

本发明中，被渗工件为纯铁、碳钢、合金钢、不锈钢、耐热钢、镍基合金、钛基合金多种金属材料以及陶瓷等。组成源极的合金元素指的是W、Mo、V、Nb、Ta、Ni、Ti、Co、Cr、CU等及其它们的任意相互组合，源极可根据工件不同形状尺寸而制成各种形状如刷状、柱状、板条状等和工件平行对置，源极和工件之间的距离为10mm以上，本发明最佳渗金属条件范围气压30～100Pa。占空比0.45～0.9，频率500～2500Hz，温度1000～1200℃。

本发明脉冲辉光离子渗金属和可调压直流电源辉光离子渗金属相比，具有明显改善孔缝内渗金属深度的作用，能使孔缝内渗金属深度增加为原来的1.6～3.4倍。此外，还发现渗金属表面合金含量提高，渗层厚度增加，晶粒细小，提高源极溅射量等突出效果，在相同实验条件下，采用脉冲辉光放电渗金属，表面合金含量为可调压直流电源渗金属的1.5～3倍，渗层厚度为1.2～2.4倍，源极溅射量为2.5～5倍，晶粒尺寸半径缩小为原来的30～60％。总之能够全面改善渗金属质量，而且参数之间相互影响较小，可以彼此独立地进行调节，灭弧效果好，升温速度快，节省时间及能源。

本发明具体实施例1：在工件和阳极之间外接电流脉冲电源，源极和阳极之间外接可调压直流电源，工件为20钢，源极为纯W丝，抽真空至极限真空度2Pa，通入氩气至工作气压45Pa，接通电源使工作参数占空比0.9，频率2500Hz，峰值电流10A，保温2h，经检测Ф0.6mm孔内渗金属深度为2.5mm，表面合金含量8.42wt％，渗层厚度150μm，源极溅射量2.03g/h。

本发明实施例2：在实施例1的实验条件下，选取工作参数气压60Pa，占空比0.1，频率1000Hz，峰值电流50A，保温2h，经检测，Ф0.6mm孔内渗金属深度2.12mm，表面合金含量6.38wt％，渗层厚度126μm，源极溅射量1.18g/h。

本发明实施例3，在同实施例1相同的实验条件下，选取工作参数，气压150Pa，占空比0.45，频率10KHz，峰值电流30A，保温2h，经检测Ф0.6mm孔内渗金属深度2.42mm，表面合金含量4.28wt％，渗层厚度101μm，源极溅射量0.9g/h。

本发明实施例4，源极为W,Mo源，重量百分比W∶Mo=6∶4，工件为20Cr，采用和实施例1相同的条件得到结果：Ф0.6mm孔内渗金属深度2.33mm，表面合金含量W为4.78wt％,Mo为2.69wt％，渗层厚度138μm，源极溅射量1.98g/h。