纯铜双辉等离子体渗镍层形成及扩散机理分析0

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17. 1 6. 67 20. 2 8. 26
30 36 42
13. 7 4. 2 2. 8 8. 32 10. 11 12. 69 11. 8 6. 7 3. 8 9. 82 11. 31 13. 27
214 影响铜镍扩散的因素
在双层辉光离子渗金属技术中 ,渗层的厚度主 要受温度 、时间和放电条件的控制 。前两者的作用
图 3 为纯 Cu 经 3h 渗 Ni 后由表至里 Ni 元素的 成分分布曲线 。由于来自源极充足的镍原子或原子 团及镍离子被铜表面吸附沉积并扩散 ,这一过程类 似于将 两 根 半 无 限 长 试 样 焊 接 在 一 起 构 成 的 扩 散 偶 。因而 ,可近似采用扩散偶方法求扩散系数 。由 图 3 浓度曲线找出 Matano 平面 ,即图 4 示意中使面 积 A 1 和面积 A 2 相等的平面 。含镍浓度为 C 的扩 散系数根据相关公式 (1) 可求得[5 ] 。
图 4 用扩散偶测量互扩散系数 Fig14 Schematic diagram of t he diffusion couple 表 1 不同工艺渗镍时 Cu 和 Ni 的互扩散系数 Table 1 Mutual diff usion coeff icient of Cu and Ni at
[ 5 ] Kawasski2k. Microstructureal characteristics and unique properties obtained by solution treating or aging inβ2richα+β titanium alloy [J ] . Materials Science and Engineering ,1999 ,A263 :1322136.
子渗镍具有较高的等温互扩散系数 ,且该等温互扩
散系数随试验温度及表面 Ni 浓度的提高而增大 ,表
层高的空位浓度梯度是加速扩散的主要原因 。
图 2 纯铜渗镍层金相组织 ×400 Fig12 Microstructure of Ni alloyed layer on copper ×400
212 渗层形成机理
Diff usion Mechanism and Formation of Nickel ized Layer by Double Glo w
Discharge Process on Copper Surface
YUAN Qing2long ,CHI Cheng2zhong ,SU Yong2an ,XU Zhong ( Surface Engineering Research Instit ute , Taiyuan U niversity of Technology , Taiyuan Shanxi 030024 ,China)
纯铜双辉等离子体渗镍层形成及扩散机理分析
袁庆龙 ,池承忠 ,苏永安 ,徐 重 (太原理工大学 表面工程研究所 ,山西 太原 030024) 摘要 :采用双层辉光离子渗金属技术实现了在纯铜表面的渗镍 ,对渗层中镍元素的分布进行了测定 ,用扩散偶 方法计算了铜镍等温互扩散系数 ,并对在辉光放电中影响扩散系数的因素进行了讨论 。结果表明 ,纯铜双层 辉光离子渗镍是一个先吸附沉积再扩散的过程 ,利用扩散偶方法求得的等温互扩散系数随试验温度及表面镍 浓度的提高而增大 。只要合理选择放电条件下的各工艺参数 ,便可以有效控制渗层中的镍含量及分布 。 关键词 :纯铜 ;双层辉光放电 ;渗镍 ;扩散系数 中图分类号 :TG1741445 文献标识码 :A 文章编号 :025426051( 2003) 1120043203
试件在辉光放电中同样受到 Ar + 离子的轰击 。 对试件进行轰击 ,不仅可除去表面氧化膜而使表面 活化 ,这样的表面溶质原子更容易被吸附 ,而且使试 件在短时间内升至试验温度 。轰击还会使试件表层 一定深度范围内产生较高浓度的点缺陷群[4 ] ,这对 吸附原子加速向内扩散是有利的 。据此 ,试件电压 应尽量高一些 。但是 ,轰击亦会对试件产生溅射作 用 ,使得试件表层的 Ni 浓度下降 ,而对扩散产生“负 作用”。另外 ,铜的溅射系数高于镍的溅射系数[6 ] ,
211 渗层组织特征 用大视野光学显微镜观察渗层组织 。渗层截面
金相组织如图 2 所示 。由图 2 可见 ,渗 Ni 层由沉积 层 (约 5μm～10μm) 和扩散层组成 ,扩散层与 Cu 基 体没有明显的界线 ,均匀过渡 ,结合良好 。凸凹不平 的表面反映出试件轰击溅射对沉积层的影响 。在试 验温度下 ,Cu 基体晶粒粗化严重 。
Abstract :A new surface alloying met hod ,double glow discharge nickelizing process on t he surface of copper ,was
int roduced in t his paper. For t he alloyed layer ,t he dist ribution of Ni content was easured ,t he isot hermal mut ual
尚未见报道 ,本文对其形成机理及扩散影响因素进 面并渗入其中 ,形成铜镍合金 。用 ZDZ22 型低真空
行了分析 。
计 测定气压 。用 WDL23 1型光学测温计测量温度 。
1 试验材料及方法
源极采用纯镍板 , 尺寸为 150mm ×150mm ×
7mm 。试 件 材 料 为 冷 轧 紫 铜 板 , 尺 寸 为 30mm ×
用下的热扩散 。当源极施以一定负偏压时 ,在氩离 子轰击下将发生溅射现象 ,将镍原子或原子团从镍 源极表面溅射出来 ,经过气体输运和与氩离子的碰 撞离化 ,一部分镍原子或原子团及镍离子到达试件 表面 。由于试件表面经过离子轰击而活化 ,容易吸 附沉积这些镍粒子 ,在试验温度下与铜基体之间发 生互扩散 。由于试件表面在离子轰击后形成高的空 位浓度和空位浓度梯度[4 ] ,促进了扩散的加速进行 。 213 用扩散偶方法求扩散系数
different nickelizing process
至表面
距离/μm
18
(950～1000) ℃ Ni (wt %) 32. 2
×3h 渗镍 D/ ×10 - 11cm2·s - 14. 71
(1000～1050) ℃ Ni (wt %) 33. 8
×3h 渗镍 D/ ×10 - 11cm2·s - 16. 60
离子表面合金化法[1 ] 在碳钢 、铸铁表面已成功实现 轰击 (5～6) min ,以清除表面氧化膜 ,然后开启源极
了镍铬共渗[2 ,3 ] ,其耐腐蚀性得到显著提高 。然而 , 电源 。在辉光离子轰击下 ,源极和试件迅速被加热
双层辉光离子渗金属技术在纯铜表面制备铜镍合金 到高温 。源极的镍元素被溅射出来 ,沉积在试件表
献[2 ,3 ]已做过较为详尽的讨论 ,这里只讨论源极和试 件电压在渗镍过程中对扩散的影响 。
源极电压的主要作用是为被渗试件表面提供较 高的金属势 。而表面金属势则决定于辉光放电条件 和源极溅射能力 。在相同辉光放电条件下 ,镍的溅 射系数低于铜的溅射系数[6 ] 。若提高源极镍的溅射 率 ,必须增大 Ar + 离子的轰击能量 ,而离子的轰击能 量与电压相关 。因此提高源极电压 ,可以使离子在 电场中加速 ,到达源极前具有较高的能量对源极进 行轰击 ,从而产生大量的镍活性溶质原子 ,以便于被 试件吸附并扩散形成渗层 。源极电压除了能产生大 量的溅射原子外 ,还能提供热量使源极产生热蒸发 , 蒸发出的溶质原子和溅射出的原子一样 ,被试件吸 附和扩散 。本试验选用两个电压范围 :980～1000V , 930～950V ,从图 3 试件表层具有高的 Ni 浓度的测 定结果 ,间接反映出试件表面具有高的 Ni 势 。
∫ D
=
1
2t
dC dx
C
xdC
C1
………………… (1)
式中 : t 为渗镍时间 ,单位为秒 。用作图法求出曲线
∫C
在 C 浓度的斜率 (d C/ d x ) C 和 x dC 积分面积 (图 C1
4 中的阴影面积) ,将这些数值代入公式 (1) 求得它们
的互扩散系数列于表 1 。计算结果表明 ,双层辉光离
[ 6 ] 叶卫平 ,宫秀敏 ,孙 伟 ,等. 多弧离子镀 TiN 镀层工艺以及相 结构[J ] . 金属热处理 ,1998 ,23 (10) :528.
《金属热处理》2003 年第 28 卷第 11 期
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用 L EO438V P 型扫描电镜 (附置能谱扫描仪) 测定 Ni 含量 。
2 试验结果及讨论
铜中使导电电子散射加剧 ,削弱了纯铜优异的导电 、 炉体 (阳极) 接地 ,源极 (镍元素供给源) 和试件均处
导热性能 。因此 ,利用铜镍合金优良的耐蚀性又保 于负电位 。抽真空至 2Pa 后 ,充入氩气至 (25～35)
持其良好的传导性的研究意义重大 。利用双层辉光 Pa ,即开启阴极 (试件) 直流电源 ,点燃辉光 ,对试件
Key words :pure copper ;double glow discharge ;nickelizing ;diff usion coefficient 铜镍合金具有优异的耐腐蚀性能 ,中等的强度 , 图 1 为试验装置示意图 。其组成部分为 :炉体 、
常被用作处于腐蚀介质中的传导材料 。但由于镍在 阴极和源极控制电源 、真空泵 、真空计 、测温部分等 。
diff usion coefficient was calculated wit h diff usion couple met hod , and t he factors affecting diff usion coefficient
were discussed under double glow discharge condition. The result s indicate t hat double glow discharge nickelizing on t he copper surface is a course of absorption ,deposition and diff usion of Ni. The isot hermal mut ual diff usion co2