[发明专利]粉末冶金制品的空心阴极放电烧结方法

说明书

本发明属于粉末冶金范畴。

粉末冶金制品的烧结工序，是决定粉末冶金质量的关键工序之一。目前，已有的烧结加热方法主要有：火焰加热、电阻发热体加热、感应加热等。上述各类烧结方法都不同程度地存在着一些不足之处。如：利用电阻发热体和火焰加热，一般只能加热到1300℃以下。用钨丝或钼丝作为电阻发热体，虽然可以加热到较高温度，但支撑发热体的绝缘材料却只能在2000℃以下使用，而且这类设备大都体积庞大，耗能很多。感应加热的方法虽然可以加热到3000℃的高温，但是由于感应加热电源装置及感应器等辅助设备结构复杂造价颇高，同时有效功率低，且不能适用于任意形状的粉末零件。对压坯直接通以低电压大电流加热方法，虽然作为现今对高熔点金属，如钨、钼、铌、钽等烧结的有效方法，但也存在电能耗损大，烧结成品率低，加热温度不均匀以及只能烧结棒料，不能烧结任意形状的零件等缺点。所以，迄今为止，直接用烧结的方法制造钨、钼、铌、钽等高熔点金属或合金的粉末冶金零件还是相当困难的。

稀薄气体中的辉光放电现象，早为人们所知。其实质是在一个设置有阳极和阴极并充有稀薄气体的真空容器中，阴阳极间的气体受电场作用下的电子碰撞而电离，从而形成电子向阳极运动和正离子向阴极运动的一种气体放电现象。在辉光放电中，阴极表面附近有一个电位陡降区，称为阴极位降区。阴极位降区的电位差相当于阴阳极间电位差的90～95%以上，正离子在阴极位降区被加速后，以很大的能量轰击阴极表面。在一般情况下，离子所具有的能量除少部分用于产生阴极溅射外，大部分都转化为热能，使阴极温度上升。尤其当阴极形状为平行板状或圆筒状，并且两板间距离或圆筒的内径大于所充入气体原子或分子的平均自由程时，就会发生强烈的辉光放电，可使电流强度达到几十安或数百安。这种现象称为空心阴极效应，空心阴极放电的结果，可使阴极温度迅速达到3000℃以上。

到目前为止，辉光放电及其空心阴极效应，主要用于各类光源或空心阴极管以及阴极溅射。此外，应用辉光放电的方法还发展了辉光离子氮化、离子渗碳、离子碳氮共渗和辉光离子渗金属等离子化学热处理工艺。

本发明的目的是利用辉光放电时的空心阴极效应，正离子对阴极轰击所产生的热，进行粉末金属及其合金制品、陶瓷、石墨制品等进行烧结或同时进行离子化学热处理的工艺方法。

本发明采用一个可以抽真空并能充入所需要的气体，以形成一定压力的密封容器。其极限真空不低于10^-1帕，通入工作气体后，其气压值可在10～8×10²帕范围内变动。在该容器中设有阳极和阴极。被烧结或同时进行离子化学热处理的具有导电性的粉末制品直接放在阴极上，使制品与制品之间或制品与辅助装置之间形成空心阴极。制品表面如欲进行渗碳、氮化或渗入其它元素时，可在烧结的同时或后期通入所需的气体介质，气体介质被电离后，正离子奔向制品表面，从而实现化学热处理。对不导电的陶瓷制品，可在其周围放置导电材料，如石墨、金属等以构成空心阴极。在阴极和阳极之间设置0～1500伏的可调直流电源。

本发明和现有技术相比，具有以下优点和效果：

1.可以烧结各种形状及各种材料的粉末制品。

现有的各种烧结方法只能分别用于某些材料的粉末制品，对高熔点材料，如钨、钼、铌、钽及其合金，只能烧结形状简单的棒料或板料。空心阴极放电烧结方法，其温度从室温到3000℃可以连续调节控制，适用于各种形状及各种材质的粉末制品。

2.不用外加热源，省电节能。

现有的烧结方法，基本上是通过发热体来加热粉末制品的，设备体积大，耗能多。空心阴极放电烧结方法是通过粉末制品自身发热进行烧结的，因此加热功率利用率高，设备体积小，耗能少。

3.烧结的同时可进行各种化学热处理。

辉光放电烧结方法，在烧结的同时，可将化学热处理所需的介质通入炉内，便可进行化学热处理。

为了进一步阐明本发明的特征及其实施方法，下面结合附图，并以烧结钨棒为例加以说明。将φ15×500的钨棒压坯（1）放置在由作为阳极的真空容器壳体（2）和反辐射屏构成的真空室内的阴极（3）上，并使棒料之间或棒料与辅助板（4）之间形成一定的间隔d，d值可在30～5毫米范围内变动，一般采用20～8毫米。将真空室抽真空至10^-1帕后，充入氩气或氩气和氢气的混合气体，其气压值控制在10～8×10²帕的范围内，具体工作气压可根据工艺要求变动，常用气压为3×10～4×10²帕。当充入气体达到所需气压时，接通直流电源使其产生空心阴极放电，使压坯温度升高到2800℃～3000℃。根据工艺要求直流电压可在0～1500V内调节，常用电压为250～1000伏。