[发明专利]双辉放电渗镀金属碳氮化合物的装置及工艺

说明书

技术领域

本发明双辉放电渗镀金属碳氮化合物工艺及装置属于金属材料表面改性的技术领域。

背景技术

金属碳、氮化合物如：WN、WC、MON、MOC、TiC、TiN、TaC、TaN等具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化等一系列优良的性能，若在普通碳钢、低合金钢或表面强度不高的钛及钛合金、铜及铜合金表面渗镀一定厚度的金属氮、碳化合物，可以显著提高这些材料的耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化的性能，可应用于航空、航天、机械、交通、石油化工、电力、医疗等领域。具有广阔的应用前景。

60年代以前合成金属碳、氮化合物的方法主要是固体、液体、气体渗碳、氮化、氮碳共渗的化学热处理方法，它们均有渗速慢、渗层不均、污染环境、劳动条件差等缺点。目前很少应用。

60年代以后，发展了许多新的方法，如离子氮化、离子碳氮共渗，化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、激光CVD(LCVD)、等离子增强CVD(PCVD)、射频等离子体CVD(RFCVD)、微波CVD、离子束增强沉积技术(IBED)、多弧离子镀等，以上这些技术都存在设备复杂、合成时间较长，电子束、离子束、微波、射频、激光等，设备价格昂贵、成本高，特别是以上大部分新方法不能同时向工件提供金属粒子和碳、氮离子，而且形成的大多是镀层，比较薄，使用受到一定的限制。

发明内容

本发明双辉放电渗镀金属碳氮化合物装置及工艺的目的在于是利用欲渗镀的金属或合金制成格栅状源极，利用空芯阴极效应和辉光放电的溅射原理，使格栅状源极成为既是金属和合金的溅射源，又是通入反应气的离解源，实现金属材料表面渗镀金属碳、氮化合物，从而提高金属材料表面耐磨、耐蚀、耐高温氧化等性能。

本发明双辉放电渗镀金属碳氮化合物的装置是在真空容器1内，设置金属源极4，反应气源盒阳极5，欲渗镀的工件3，同时配有抽气系统及供气系统，其供气系统是由供气源2、反应气源盒阳极5组成，欲渗镀工件3位于真空室1的下方，金属源极4置于欲渗镀工件3上方，反应气源盒阳极5位于真空室1的上部，在反应气源盒阳极5与欲渗镀工件3之间连接一可调0～1200V直流电源7，在反应气源盒阳极5和金属源极4之间连接一个可调0～1500V直流电源6，其特征在于：金属源极4为金属格栅状源极，金属源极4与欲渗镀工件3之间的距离为10～30mm，欲渗镀的工件3为金属材料、合金、陶瓷等非金属材料。

上述的金属源极4，亦可是刷子状、蜂窝状，其格栅之间的距离为15～30mm，高度为30～50mm，构成格栅状的金属是由可以形成碳、氮化合物的金属和合金板制成，如W、Mo、Ti、Cr、Ta、Zr、Nb、Ni等金属及其合金，反应气源盒阳极5是由带有小孔并能喷射出气体的扁平状钢板制成。

采用上述装置进行双辉放电渗镀金属碳氮化合物的工艺其特征在于，首先把真空室1由机械泵8抽到极限真空度高于1Pa后，再由供气系统按比例供给氩气、氮气及碳氢气体的混合气，分压为20～100Pa，在反应气源盒阳极5和金属源极4之间加入可调直流电源6，电压为800～1200V；在阳极反应气源盒5和欲渗镀工件3之间加入可调直流电源7，电压为400～800V使其产生双层辉光放电，利用格栅状源极内的等电位空芯阴极效应和欲渗镀工件3之间的不等电位空芯阴极效应，使欲渗镀工件3升到800～1000℃，并把金属源极4中溅射出的金属原子、离子，离解后的碳氮原子、离子，在工件负偏压作用下快速到达工件表面，工件表面形成渗镀层。

渗镀金属碳化物时通入的氩气、碳氢气体的混合气体的比例为2∶8、5∶5、3∶7，分压为20～100Pa，渗镀金属氮化物时通入比例为2∶8、5∶5、3∶7的氩气和氮气的混合气，分压为20～100Pa，渗镀金属碳氮化合物时通入一定比例的Ar气、碳氢气体和氮气的混合气。

欲渗镀工件3的温度为800～1000℃；金属源极4电压为800～1200V，欲渗镀工件3的电压为400～800V，工作气压为20～100Pa。

附图说明

附图为本发明的实施装置示意图。

图中标号为：1.真空室    2.供气源    3.欲渗镀工件    4.金属源极    5.反应气源盒阳极    6.金属源极电源    7.负偏压电源    8.机械泵抽气系统

具体实施方式：

以渗镀金属氮化物TaN为例：

把真空室1由机械泵抽气系统8抽到1Pa以下真空度后，由供气系统按5∶5比例供给Ar气和N₂的混合气，分压为20～100Pa，在阳极5和格栅状钽板制成的源极4之间加入可调直流电源6，电压800～1200V；在阳极5和欲渗镀工件3之间加入可调直流电源7，电压400～800V。使其产生双层辉光放电，利用格栅状钽源极内的等电位空芯阴极效应和格栅状钽源4与欲渗镀工件3之间的不等电位空芯阴极效应，使欲渗镀工件3升到800～1000℃，并把格栅状钽源中溅射出的钽原子、离子，离解后的N原子、N离子，在工件负偏压作用下快速到达工件表面，在金属工件表面形成TaN渗镀层，保温时间为3小时，渗层为50μm。