双层辉光离子渗金属设备
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收稿日期： ２００６－１１－０２ 基金项目： 国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合项目
（５０３７４０５０）； 山 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２００３１０５０） 作者简介： 高原（１９５４－），男，广西贺州人，教授，博士，从事金属材料表
面改性研究工源自文库；电话： ０７７３－５６０１４３４； Ｅ－ｍａｉｌ： ｇａｏｙｕａｎ５０＠１２６．ｃｏｍ
（ ４） 高温区材料最好选择石墨。 （ ５） 分层放置的工件（ 立式设备中） ， 一般以 “龙门式”结构为好， 每层之间阴极板上放置工件， 源极采用“龙门式”的吊挂机构对于工件和源极材 料不好布置的情况， 可以采用等电位进行渗金属， 但是要有合理的源极结构设计。
３．４ 源极布置 源 极 结 构 的 设 计 、布 置 、安 排 主 要 与 工 件 的
电 源 柜 抽气
进气
图 １ 双层辉光离子渗金属原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｇｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
图中源极是由欲渗金属固体材料组成， 阴极 是由被渗金属材料的工件（ 或试样） 组成， 放置在 辅助阴极内。电源控制柜是由高压直流、交流或脉 冲组成， 阳极是公用的， 接在炉壳上， 并且接地。两 个电源柜的阴极分别接在工件和源极上。抽真空 系统是由扩散泵＋机械泵组成， 还有可通入工作
３．２ 风冷系统 渗金属的过程是表面合金元素浓度的提高和
向内部扩散形成合金层的过程。高温时金属元素
在工件表面有较高的固溶度， 但当渗金属结束时， 如果冷却速度较慢， 将会使得在高温固溶于基体 中的合金元素沿晶界析出， 形成金属间化合物［９］。 如果加快渗金属后的冷却速度， 可以阻止或抑制 部分金属间化合物的析出， 得到成分分布较好的 合金化层。此外还可以提高工作效率， 节省冷却过 程中占用设备的时间。所以一般在大型渗金属设 备中均加入风冷系统。由于渗金属温度比较高， 在 渗金属时除了工件之外还有多次重复使用的源极 以及吊挂系统， 如果冷却速度太快， 可能会造成大 的变形， 给下一次渗金属工艺带来困难。所以一般 控制从渗金属高温到 ７００℃时， 其冷却速度快一 些， 以利抑制金属间化合物的析出， 当低于 ７００℃ 时， 合金元素的扩散速度已经很慢， 几乎没有金属 间化合物析出， 故只能适当减小冷却速度。目前渗 金属设备中， 装炉量 ４００ ｋｇ／ 次（ 包括工装卡具 ） ， 风冷时的气压为 ６００～７００ Ｐａ， 风机功率为 ７．５～ １０ ｋＷ 比较适宜。这样即可将工件较快速度的冷 却下来， 又对源极结构和尺寸影响较小［１０］。
总之， 源极材料、结构、几何形状选择的基本 原则是： 仿形耐用， 制备简单， 吊挂方便， 容易溅射。
３．５ 真空系统 双层辉光离子渗金属设备在处理钢铁材料
时， 极限真空度可以低一些， 一般在 ５ Ｐａ 左右； 处 理有色金属材料（ 如钛合金、铜合金等） 极限真空 度必须高一些， 一般在 １０－ ３ Ｐａ 以上。
关键词： 双层辉光放电； 等离子表面合金化； 真空设备
中图分类号： ＴＧ１５５．７
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（２００７）０８－００７８－０４
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｇｌｏｗ Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｃｈａｒ ｇｅ ｆｏｒ Ｓｕｒ ｆａｃｅ Ａｌｌｏｙｉｎｇ
ＧＡＯ Ｙｕａｎ１， ＸＵ Ｊｉｎｇ－ｙｏｎｇ１， ＧＡＯ Ｑｉｎｇ１， ＭＡ Ｃｈｕａｎ－ｇｕｏ１， ＸＵ Ｚｈｏｎｇ２
对于卧式渗金属设备， 其突出的优点是对于 除轴类件之外的小件、平板类件或薄壁件， 可以方 便地进行合金化。例如手用锯条渗金属时， 可将锯 条沿一边的拉孔用不锈钢丝穿成一排， 锯齿部分 向一个方向形成一个平面， 将源极制备成与之同 样尺寸的平板状， 相对悬吊固定放置。一排源极板 两边相对两排锯条， 这样就可以形成类似梳子状 的工件阴极结构， 中间的凹槽吊置源极［６］。
３．６ 供气系统 双层辉光渗金属的供气系统中， 一般采用两
路供气系统。用质量流量计作定量计量。为了更多 的反应溅射使用， 也可采用三路或四路供气系统。
３．７ 外加热源 欲渗合金元素是将源极中的合金元素用离子
轰击溅射出来的， 需要较大的离子能量和一定的 电流密度， 这样使得源极发热严重， 一般要比工件 温度高几十到上百度， 较高的源极温度， 也辐射到 工件表面， 同时提高工件的温度。为了提高溅射， 源极采用高电压和较大电流密度， 加之工件也处 于高温状态。为了保证源极溅射， 且温度又不能超 出工艺制定的温度范围， 许多情况下只有牺牲部 分热量， 即使热量从隔热屏中散出去。所以从这个 角度看， 外加热源与源极溅射是相互矛盾的。
（ ３） 要有可靠的导电及连接装置与合格的绝 缘和隔热设计， 在要求绝缘程度高的部位采用 瓷管， 要求绝缘不高的地方可采用云母或有机 绝缘材料； 将阴极结构的绝缘材料表面设计成 凹槽的迷宫型， 以避免沉积物量大时连成一片 而产生短路。
《热加工工艺》２００７ 年第 ３６ 卷第 ８ 期
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材料热处理 （４） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
３．３ 阴极结构 阴极结构是双层辉光离子渗金属设备中的
关键件之一。它包括工件和源极的支撑（ 吊挂） 结 构 、导 电 结 构 、屏 蔽 结 构 和 绝 缘 结 构 等 。 由 于 工件和源极处于高温和导电工作状态， 距离又 较近， 如果设计不当， 极易在工作时造成打弧、 短 路 、变 形 等 问 题 。阴 极 结 构 的 设 计 一 般 掌 握 几 个原则：
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｙｐｅ， ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓ， ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｇｌｏｗ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
图 １ 是双层辉光离子渗金属原理图。
源极
阴极
电
源
辅助阴极
柜
双层辉光离子渗金属技术的基本原理是利用 低真空条件下的气体放电所产生的低温等离子 体， 将辉光放电的溅射现象、尖端效应、空心阴极 放电［４］等结合， 把欲渗合金元素以原子、离 子以及 粒子团的形式溅射出来， 这些活性较强的原子、离 子以及粒子团， 以一定的能量向阴极（ 工件） 运动，
此外还可根据使用要求， 设计成连续式渗金 属设备和带淬火冷却系统装置的渗金属设备。
３ 双层辉光离子渗金属设备的结构
３．１ 辅助阴极 双层辉光离子渗金属的源极设计的基本原理
是 仿 形 原 理 ［ ７］ 。 源 极 的 几 何 尺 寸 与 工 件 的 形 状 基 本相似， 这样可使渗金属均匀性得以保证。所以 对于形状比较规则的工件， 其源极制备比较容易。 但是对于形状比较复杂或不规则的零件， 源极的 制造和设计将显得十分重要。一般在此时， 可以加 入辅助阴极［８］， 以保证渗金属的质量。辅助阴极的 主要作用有保温、升温及均温， 产生空心阴极效 应， 保证工件、源极处于较好地渗金属气氛之中， 以利渗金属环境的生成和维持； 促进工件和源极 表面的活化。
外形几何尺寸、要求进行表面合金化的部位有 关。一般的源极采用的几何形状是以工件的表 面形状为依据， 基本原则是以仿形为主。当工件 为平板状时， 源极宜采用平板状。当工件为圆 形， 源极宜采用小的条形拼接成圆形或几个弧 形拼接成圆形。当工件为不规则的形状时， 可以 采用刷状或螺旋状。单件生产时， 由于源极制备 比较麻烦， 所以可采用针状源极。当工件处理量 大 、不 规 则 、源 极 的 面 积 比 较 大 以 及 布 置 和 吊 挂 十分困难时， 可以采用等电位工艺方法， 即将源 极与工件等电位放置。一般情况下， 源极采用吊 挂式的为好， 尽量减小其面积。这样可以提高源 极的电流密度。因为， 双层辉光离子渗金属时， 从源极中将金属原子溅射出来是表面合金化的 第一步， 所以最好将源极的电流密度集中于与 工件相对放置的源极表面， 并且尽可能地提高 源极的电流密度， 因此源极的无用面积越小越 好。一般情况下， 源极的电流密度至少应该大于 ３ ｍＡ／ ｃｍ２。
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《热加工工艺》２００７ 年第 ３６ 卷第 ８ 期
材料热处理 （４） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
气体的供气系统。
２ 双层辉光离子渗金属设备的类型
双层辉光离子渗金属技术设备的类型主要有 立式和卧式两种。
立式渗金属设备适用于进行长轴类杆件或长 度较直径大许多的零件进行表面合金化处理。这 样可以方便地进行吊挂， 减小工件变形。渗金属的 关键技术之一是源极与工件之间的相对位置， 当 采用立式渗金属设备时， 可以先将工件吊挂好， 再 进行源极布置， 最后将钟罩盖上。这样可以保证源 极与工件之间的相对位置以及源极与工件之间的 距离。如果工件的长度过长， 应考虑温度的均匀性 问题， 增加一些辅助阴极。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｄｏｕｂｌｅ ｇｌｏｗ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ； ｐｌａｓｍａ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ； ｖａｃｕｕｍ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
双层辉光离子渗金属技术自 ２０ 世纪 ８０ 年代 发明以来［１］， 经过二十多年的不断研究 和发展， 在 基础研究、理论提升、工艺试验、设备制造、应用推 广等方面进行了大量深入的工作， 并取得了重要 成 果［２］。尤 其 在 金 属 材 料 提 高 耐 磨 性 、耐 腐 蚀 和 高 温抗氧化性方面取得了较大的进展， 有些成熟的 工艺技术， 已经进入生产实际的推广和应用阶段［３］。 随着双层辉光离子渗金属工艺技术的进步， 双层 辉光离子渗金属技术的设备研究也在不断地进 行。本文就目前双层辉光离子渗金属设备的原理、 类型、结构、组成、功能等做一个简单的介绍。
１ 双层辉光离子渗金属基本原理
并且吸附和沉积到工件表面， 在高温作用下， 扩散 进入工件内部。使被渗工件表面形成具有特殊物 理 和 化 学 性 能 的 合 金 层 ［ ５］ 。
该技术主要的特点是： 利用辉光放电的溅射 现象， 利用具有较高能量的离子轰击导电的高熔 点的固态金属材料， 能够连续不断地提供具有一 定能量、新鲜、大量、活性较强的欲渗合金元素， 解决 了目前渗金属中欲渗高熔点合金元素的供给问题。
● 设 备●
材料热处理 （４） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
双层辉光离子渗金属设备
高 原 １， 徐晋勇 １，高 清 １，马传国，１ 徐 重 ２
（１．桂林电子工业学院 信息材料科学与工程系， 广西 桂林 ５４１００４； ２．太原理工大学， 山西 太原 ０３００２４）
摘 要： 简要介绍了双层辉光等离子表面合金化设备的类型、组成、功能、结构、原理等。
（１．Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． ａｎｄ Ｅｎｇ．，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
（ １） 将吊挂（ 支撑） 结构的辉光屏蔽部分放在 温度较低的区域， 防止结构中的绝缘部分因高温 加热变形， 产生间隙， 引起打弧现象。
（ ２） 阴极屏蔽结构中至少要有一对以上纵向 和横向屏蔽结构的组合； 屏蔽结构中， 导电与不导 电材料不要组合使用； 屏蔽使用的金属材料最好 采用强度高、变形小的不锈钢制造； 高温导电屏蔽 结构， 放低温区进行旁接。
大型立式或卧式炉处理一般的钢铁材料时， 采用的极限真空度在 ５ Ｐａ 左右。此时一般采用机 械泵＋ 罗茨泵及维持泵的两路抽真空系统； 处理 有色金属材料尤其是钛合金、镁合金、铝合金时 ， 采用的极限真空度至少应该在 １０－ ３ Ｐａ， 此时一般 采用机械泵＋ 扩散泵及维持泵的两路系统。如果
是小型的实验用设备处理钢铁材料采用机械泵； 处理有色金属材料采用机械泵＋分子泵 （ 可大大 减少试验时间） 。
（５０３７４０５０）； 山 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２００３１０５０） 作者简介： 高原（１９５４－），男，广西贺州人，教授，博士，从事金属材料表
面改性研究工源自文库；电话： ０７７３－５６０１４３４； Ｅ－ｍａｉｌ： ｇａｏｙｕａｎ５０＠１２６．ｃｏｍ
（ ４） 高温区材料最好选择石墨。 （ ５） 分层放置的工件（ 立式设备中） ， 一般以 “龙门式”结构为好， 每层之间阴极板上放置工件， 源极采用“龙门式”的吊挂机构对于工件和源极材 料不好布置的情况， 可以采用等电位进行渗金属， 但是要有合理的源极结构设计。
３．４ 源极布置 源 极 结 构 的 设 计 、布 置 、安 排 主 要 与 工 件 的
电 源 柜 抽气
进气
图 １ 双层辉光离子渗金属原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｇｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
图中源极是由欲渗金属固体材料组成， 阴极 是由被渗金属材料的工件（ 或试样） 组成， 放置在 辅助阴极内。电源控制柜是由高压直流、交流或脉 冲组成， 阳极是公用的， 接在炉壳上， 并且接地。两 个电源柜的阴极分别接在工件和源极上。抽真空 系统是由扩散泵＋机械泵组成， 还有可通入工作
３．２ 风冷系统 渗金属的过程是表面合金元素浓度的提高和
向内部扩散形成合金层的过程。高温时金属元素
在工件表面有较高的固溶度， 但当渗金属结束时， 如果冷却速度较慢， 将会使得在高温固溶于基体 中的合金元素沿晶界析出， 形成金属间化合物［９］。 如果加快渗金属后的冷却速度， 可以阻止或抑制 部分金属间化合物的析出， 得到成分分布较好的 合金化层。此外还可以提高工作效率， 节省冷却过 程中占用设备的时间。所以一般在大型渗金属设 备中均加入风冷系统。由于渗金属温度比较高， 在 渗金属时除了工件之外还有多次重复使用的源极 以及吊挂系统， 如果冷却速度太快， 可能会造成大 的变形， 给下一次渗金属工艺带来困难。所以一般 控制从渗金属高温到 ７００℃时， 其冷却速度快一 些， 以利抑制金属间化合物的析出， 当低于 ７００℃ 时， 合金元素的扩散速度已经很慢， 几乎没有金属 间化合物析出， 故只能适当减小冷却速度。目前渗 金属设备中， 装炉量 ４００ ｋｇ／ 次（ 包括工装卡具 ） ， 风冷时的气压为 ６００～７００ Ｐａ， 风机功率为 ７．５～ １０ ｋＷ 比较适宜。这样即可将工件较快速度的冷 却下来， 又对源极结构和尺寸影响较小［１０］。
总之， 源极材料、结构、几何形状选择的基本 原则是： 仿形耐用， 制备简单， 吊挂方便， 容易溅射。
３．５ 真空系统 双层辉光离子渗金属设备在处理钢铁材料
时， 极限真空度可以低一些， 一般在 ５ Ｐａ 左右； 处 理有色金属材料（ 如钛合金、铜合金等） 极限真空 度必须高一些， 一般在 １０－ ３ Ｐａ 以上。
关键词： 双层辉光放电； 等离子表面合金化； 真空设备
中图分类号： ＴＧ１５５．７
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（２００７）０８－００７８－０４
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｇｌｏｗ Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｃｈａｒ ｇｅ ｆｏｒ Ｓｕｒ ｆａｃｅ Ａｌｌｏｙｉｎｇ
ＧＡＯ Ｙｕａｎ１， ＸＵ Ｊｉｎｇ－ｙｏｎｇ１， ＧＡＯ Ｑｉｎｇ１， ＭＡ Ｃｈｕａｎ－ｇｕｏ１， ＸＵ Ｚｈｏｎｇ２
对于卧式渗金属设备， 其突出的优点是对于 除轴类件之外的小件、平板类件或薄壁件， 可以方 便地进行合金化。例如手用锯条渗金属时， 可将锯 条沿一边的拉孔用不锈钢丝穿成一排， 锯齿部分 向一个方向形成一个平面， 将源极制备成与之同 样尺寸的平板状， 相对悬吊固定放置。一排源极板 两边相对两排锯条， 这样就可以形成类似梳子状 的工件阴极结构， 中间的凹槽吊置源极［６］。
３．６ 供气系统 双层辉光渗金属的供气系统中， 一般采用两
路供气系统。用质量流量计作定量计量。为了更多 的反应溅射使用， 也可采用三路或四路供气系统。
３．７ 外加热源 欲渗合金元素是将源极中的合金元素用离子
轰击溅射出来的， 需要较大的离子能量和一定的 电流密度， 这样使得源极发热严重， 一般要比工件 温度高几十到上百度， 较高的源极温度， 也辐射到 工件表面， 同时提高工件的温度。为了提高溅射， 源极采用高电压和较大电流密度， 加之工件也处 于高温状态。为了保证源极溅射， 且温度又不能超 出工艺制定的温度范围， 许多情况下只有牺牲部 分热量， 即使热量从隔热屏中散出去。所以从这个 角度看， 外加热源与源极溅射是相互矛盾的。
（ ３） 要有可靠的导电及连接装置与合格的绝 缘和隔热设计， 在要求绝缘程度高的部位采用 瓷管， 要求绝缘不高的地方可采用云母或有机 绝缘材料； 将阴极结构的绝缘材料表面设计成 凹槽的迷宫型， 以避免沉积物量大时连成一片 而产生短路。
《热加工工艺》２００７ 年第 ３６ 卷第 ８ 期
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３．３ 阴极结构 阴极结构是双层辉光离子渗金属设备中的
关键件之一。它包括工件和源极的支撑（ 吊挂） 结 构 、导 电 结 构 、屏 蔽 结 构 和 绝 缘 结 构 等 。 由 于 工件和源极处于高温和导电工作状态， 距离又 较近， 如果设计不当， 极易在工作时造成打弧、 短 路 、变 形 等 问 题 。阴 极 结 构 的 设 计 一 般 掌 握 几 个原则：
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｙｐｅ， ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓ， ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｇｌｏｗ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
图 １ 是双层辉光离子渗金属原理图。
源极
阴极
电
源
辅助阴极
柜
双层辉光离子渗金属技术的基本原理是利用 低真空条件下的气体放电所产生的低温等离子 体， 将辉光放电的溅射现象、尖端效应、空心阴极 放电［４］等结合， 把欲渗合金元素以原子、离 子以及 粒子团的形式溅射出来， 这些活性较强的原子、离 子以及粒子团， 以一定的能量向阴极（ 工件） 运动，
此外还可根据使用要求， 设计成连续式渗金 属设备和带淬火冷却系统装置的渗金属设备。
３ 双层辉光离子渗金属设备的结构
３．１ 辅助阴极 双层辉光离子渗金属的源极设计的基本原理
是 仿 形 原 理 ［ ７］ 。 源 极 的 几 何 尺 寸 与 工 件 的 形 状 基 本相似， 这样可使渗金属均匀性得以保证。所以 对于形状比较规则的工件， 其源极制备比较容易。 但是对于形状比较复杂或不规则的零件， 源极的 制造和设计将显得十分重要。一般在此时， 可以加 入辅助阴极［８］， 以保证渗金属的质量。辅助阴极的 主要作用有保温、升温及均温， 产生空心阴极效 应， 保证工件、源极处于较好地渗金属气氛之中， 以利渗金属环境的生成和维持； 促进工件和源极 表面的活化。
外形几何尺寸、要求进行表面合金化的部位有 关。一般的源极采用的几何形状是以工件的表 面形状为依据， 基本原则是以仿形为主。当工件 为平板状时， 源极宜采用平板状。当工件为圆 形， 源极宜采用小的条形拼接成圆形或几个弧 形拼接成圆形。当工件为不规则的形状时， 可以 采用刷状或螺旋状。单件生产时， 由于源极制备 比较麻烦， 所以可采用针状源极。当工件处理量 大 、不 规 则 、源 极 的 面 积 比 较 大 以 及 布 置 和 吊 挂 十分困难时， 可以采用等电位工艺方法， 即将源 极与工件等电位放置。一般情况下， 源极采用吊 挂式的为好， 尽量减小其面积。这样可以提高源 极的电流密度。因为， 双层辉光离子渗金属时， 从源极中将金属原子溅射出来是表面合金化的 第一步， 所以最好将源极的电流密度集中于与 工件相对放置的源极表面， 并且尽可能地提高 源极的电流密度， 因此源极的无用面积越小越 好。一般情况下， 源极的电流密度至少应该大于 ３ ｍＡ／ ｃｍ２。
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《热加工工艺》２００７ 年第 ３６ 卷第 ８ 期
材料热处理 （４） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
气体的供气系统。
２ 双层辉光离子渗金属设备的类型
双层辉光离子渗金属技术设备的类型主要有 立式和卧式两种。
立式渗金属设备适用于进行长轴类杆件或长 度较直径大许多的零件进行表面合金化处理。这 样可以方便地进行吊挂， 减小工件变形。渗金属的 关键技术之一是源极与工件之间的相对位置， 当 采用立式渗金属设备时， 可以先将工件吊挂好， 再 进行源极布置， 最后将钟罩盖上。这样可以保证源 极与工件之间的相对位置以及源极与工件之间的 距离。如果工件的长度过长， 应考虑温度的均匀性 问题， 增加一些辅助阴极。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｄｏｕｂｌｅ ｇｌｏｗ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ； ｐｌａｓｍａ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｌｏｙｉｎｇ； ｖａｃｕｕｍ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
双层辉光离子渗金属技术自 ２０ 世纪 ８０ 年代 发明以来［１］， 经过二十多年的不断研究 和发展， 在 基础研究、理论提升、工艺试验、设备制造、应用推 广等方面进行了大量深入的工作， 并取得了重要 成 果［２］。尤 其 在 金 属 材 料 提 高 耐 磨 性 、耐 腐 蚀 和 高 温抗氧化性方面取得了较大的进展， 有些成熟的 工艺技术， 已经进入生产实际的推广和应用阶段［３］。 随着双层辉光离子渗金属工艺技术的进步， 双层 辉光离子渗金属技术的设备研究也在不断地进 行。本文就目前双层辉光离子渗金属设备的原理、 类型、结构、组成、功能等做一个简单的介绍。
１ 双层辉光离子渗金属基本原理
并且吸附和沉积到工件表面， 在高温作用下， 扩散 进入工件内部。使被渗工件表面形成具有特殊物 理 和 化 学 性 能 的 合 金 层 ［ ５］ 。
该技术主要的特点是： 利用辉光放电的溅射 现象， 利用具有较高能量的离子轰击导电的高熔 点的固态金属材料， 能够连续不断地提供具有一 定能量、新鲜、大量、活性较强的欲渗合金元素， 解决 了目前渗金属中欲渗高熔点合金元素的供给问题。
● 设 备●
材料热处理 （４） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
双层辉光离子渗金属设备
高 原 １， 徐晋勇 １，高 清 １，马传国，１ 徐 重 ２
（１．桂林电子工业学院 信息材料科学与工程系， 广西 桂林 ５４１００４； ２．太原理工大学， 山西 太原 ０３００２４）
摘 要： 简要介绍了双层辉光等离子表面合金化设备的类型、组成、功能、结构、原理等。
（１．Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． ａｎｄ Ｅｎｇ．，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
（ １） 将吊挂（ 支撑） 结构的辉光屏蔽部分放在 温度较低的区域， 防止结构中的绝缘部分因高温 加热变形， 产生间隙， 引起打弧现象。
（ ２） 阴极屏蔽结构中至少要有一对以上纵向 和横向屏蔽结构的组合； 屏蔽结构中， 导电与不导 电材料不要组合使用； 屏蔽使用的金属材料最好 采用强度高、变形小的不锈钢制造； 高温导电屏蔽 结构， 放低温区进行旁接。
大型立式或卧式炉处理一般的钢铁材料时， 采用的极限真空度在 ５ Ｐａ 左右。此时一般采用机 械泵＋ 罗茨泵及维持泵的两路抽真空系统； 处理 有色金属材料尤其是钛合金、镁合金、铝合金时 ， 采用的极限真空度至少应该在 １０－ ３ Ｐａ， 此时一般 采用机械泵＋ 扩散泵及维持泵的两路系统。如果
是小型的实验用设备处理钢铁材料采用机械泵； 处理有色金属材料采用机械泵＋分子泵 （ 可大大 减少试验时间） 。