本發(fā)明涉及一種在金屬材料表面形成合金層的方法及設(shè)備，特別是涉及一種通過金屬化合物加熱氣化而在金屬材料表面形成合金層的方法及設(shè)備。

金屬零件表面形成金屬化合物層方法（又稱滲金屬）近年來得到新發(fā)展，這是因?yàn)?，例如，鈦金屬化合物表面層使金屬零件具有高表面硬度，良好的耐磨性和抗腐蝕性。而滲鉆則可以提高鋼鐵，鎳莖、鉬莖、鈮莖等高溫合金的抗氧化性，還能提高在含硫介質(zhì)中的耐蝕性。在金屬零件表面形成金屬化合物方法近年來出現(xiàn)不少，化學(xué)蒸鍍法（PVD法）就是其中之一，這種方法雖然有少許滲金屬作用，但最主要還是在金屬零件表面形成沉積層而不是滲層，所以不是同一范疇的問題，故不在這里細(xì)述。1978年，蘇聯(lián)用四氯化鈦等氣化方法并在1000℃溫度下保溫，從而在鐵及低碳鋼表面獲得了鈦擴(kuò)散層（N.A.KU/yba，A.T.RevaSteelUSSRMar1978，8（3）170～171）。1979年波蘭采用氣體放電法獲得鈦擴(kuò)散層（T.Karpincki，T.Wierzchon，J.Bogacki，《國際化學(xué)熱處理》2〔1950〕，90頁），該方法曾在1983年在上海舉行的第三屆國際金屬材料及熱處理大會(huì)上做過介紹，（見第三屆國際金屬材料及熱處理大會(huì)論文集）。上述方法缺點(diǎn)是：所采用的氣化金屬化合物氣乃是混合氣;在金屬表面形成的主要還不是鈦合金層而是碳化鈦層。至于滲鋁則已大量在工業(yè)上應(yīng)用，鋼鐵企業(yè)主要采用熱浸法鋁液溫度為680°～760℃，而機(jī)械工業(yè)大都采用固體粉末法，滲鉆劑為鋁鐵合金加氯化銨與氯化鋁粉，滲鋁溫度為900°-1000℃，這些都是眾所周知的了。目前又發(fā)展有改進(jìn)的固體法（紅衛(wèi)機(jī)械廠，《熱處理經(jīng)驗(yàn)匯編》六機(jī)部601研究所，1976年8月，220頁），以及氣相滲鋁法（G.V.SamSonov，etc《MetSciHeatTreat》Mar-Apr，1978，20（3-4）338-340）。上述滲鋁方法缺點(diǎn)是：滲鋁溫度偏高（＞700℃）;金屬零件表面形成的是含鋁高的復(fù)雜化合物，組織乃是混合物;該法主要適用于鋼鐵零件的滲鋁。

近二、三年又提出一種低溫氣體放電滲金屬法（見華北地區(qū)第四屆熱處理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文，《低溫氣體放滲硫、鈦、鋁》1982、7，）該法是利用金屬化合物加熱直接氣化來進(jìn)行滲金屬，金屬化合物加熱氣化，然后化合物氣體在電場(chǎng)作用下電離，從而對(duì)工件表面進(jìn)行滲金屬，這種方法雖然比前述各方法有所發(fā)展，獲得比較滿意的效果，但也存在一些不足之處，主要的是該法為無光放電法，也就是說，化合物氣體是在電壓不高電流很小的電場(chǎng)作用下進(jìn)行電離的（電場(chǎng)電流為1-500毫安）。

本發(fā)明的方法是上述氣體放電法的改進(jìn)與發(fā)展，本發(fā)明的目的之一就是提供一種通過金屬化合物加熱直接氣化而對(duì)金屬材料及工件進(jìn)行滲金屬的方法，該法克服上述特各法的缺點(diǎn)，而其滲金屬質(zhì)量卻大大優(yōu)于上述各法，溫度低幾百度，滲層成分單一均勻，滲層深度深。本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的滲金屬設(shè)備。

氣體滲金屬法的關(guān)鍵在于要生成一種金屬化合物的氣體。本法采取金屬化合物直接加熱生成氣體。金屬化合物一般在大氣壓下為固體或液體，沸點(diǎn)較低，在低氣壓下，其沸點(diǎn)大為降低，尤其是金屬鹵化物。因此，將金屬化合物置于真空爐中時(shí)，在低壓下（1-10-2托）左右加熱氣化，然后施加高壓直流電場(chǎng)，使金屬化合物氣體電離，帶正電的金屬離子被高速加熱轟擊陰極，于是置于陰極盤上的金屬材料或工件便實(shí)現(xiàn)了滲金屬。本發(fā)明方法的特征在于，金屬化合物氣體在較高電壓電場(chǎng)作用下進(jìn)行光輝光放電，此時(shí)電場(chǎng)電壓為300-1500伏，由于進(jìn)行輝光放電，所以滲金屬速度加快，金屬滲層加深。另外，由于進(jìn)行輝光放電，因而依靠離子轟擊作用，就可以加熱金屬材料或工件，使其溫度上升，一般可以通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)電壓來調(diào)節(jié)工件的加熱溫度，而不象無光放電那樣，只能通過惰性氣體來加熱。再者，由于采用輝光放電，金屬化合物可以放在真空爐中其他地方通過外加低加電源的加熱作用來氣化，甚至還可以放在真空爐外來實(shí)施加熱氣化。

現(xiàn)結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。

圖1為氣體滲金屬方法所用設(shè)備之示意圖。

實(shí)施例1。在金屬材料上形成表面鋁合金層。將被滲材料（3）放在真空爐內(nèi)反應(yīng)室（1）中的陰極盤（4）上，被滲材料為GH220鎳莖合金，材料（3）的溫度通過熱電偶（5）和測(cè)溫表（15）來測(cè)定和控制。金屬化合物Alcl3置于蒸發(fā)器（7）中，蒸發(fā)器（7）的溫度通過熱電偶（8）和測(cè)溫表（9）來測(cè)定和控制，蒸發(fā)器（7）的加熱由低壓電源（10）提供的能量來實(shí)現(xiàn)。圖中蒸發(fā)器位于反應(yīng)室（1）之外，但位于反應(yīng)室（1）中也是可行的。

氣體滲金屬步驟如下：開動(dòng)真空泵（20），反應(yīng)室（1）被抽真空，同時(shí)接通低壓電源（20）使蒸發(fā)器溫度上升，當(dāng)真空度達(dá)10-2托左右時(shí)，往反應(yīng)室（1）中通入惰性氣體，例如Ar、N2等，使反應(yīng)室中真空度達(dá)10-1托左右。此時(shí)接通加在反應(yīng)室（1）中陰極（4）和陽極（2）上的高壓電源（16）（0-1500伏）將其中電壓控制在電壓為500-600伏，于是反應(yīng)室中打弧逐步停止而進(jìn)行輝光放電。在輝光放電時(shí)將加熱蒸發(fā)的Alcl3氣體通入反應(yīng)室（1）中，繼續(xù)抽真空，用Alcl3替換惰性氣體，并保持反應(yīng)室（1）中真空度為10-1托，結(jié)果Alcl3全部代替惰性氣體并電離，正離子金屬鋁轟擊對(duì)置于陰極盤（4）上的GH220材料，使其溫度上升，600℃左右Al正離子與GH220材料產(chǎn)生物理的和化學(xué)的反應(yīng)，于是形成滲鋁表面層所形成的表面層為AlNi、AlNi3及NiAl3合金層。

用上述相同方法還可在鋼鐵材料表面形成Fe3Al，F(xiàn)e2Al5及FeAl3等合金層，在鉬及鉬基合金材料表面形成MOAl、MOAl4及MOAl12等合金層;在銅及銅基合金材料表面形成Cu3Al4、CuAl及CuAl2等合金層;在鈮及鈮基材料表面形成Nb3Al、NbAl等合金層。

實(shí)施例2：在金屬材料上形成鈦合金表面層。

所用設(shè)備及滲金屬過程與實(shí)施例1的相同，只是在本實(shí)施例情況下工作氣體為Ticl4金屬化合物的氣體。按照本實(shí)施例方法可在鋼鐵材料表面形成Fe2Fi、FeTi等合金層;在鎳及鎳基合金材料表面形成Ni3Ti、NiTi2等合金層;鉬及鉬基合金材料表面形成MoTi固溶體層;在銅及銅基合金材料表面形成Cu4Ti、Cu3Ti、CuTi2等合金層。

實(shí)施例3：在金屬材料表面形成鋅合金層

所用設(shè)備及滲金屬過程與實(shí)施例1的相同，只是在本實(shí)施例情況下工作氣體為ZnCl2金屬化合物的氣體。按照本實(shí)施例方法，可在上兩實(shí)施例所例舉的多種金屬材料的表面上形成鋅合金層。

其他實(shí)施例：

所用設(shè)備及滲金屬過程仍然與實(shí)施例1的相同。若工作氣體改為SnCl4氣體，則可在鋼鐵材料表面上形成Fe3Sn2、FeSn及FeSn2等合金層;在鈮及鈮基合金材料表面上形成Nb3Sn、NbSn5及NbSn2等合金層。若工作氣體為NiCl2，則能在鎢及鎢基合金材料表面形成Ni4Wi在鋼鐵材料表面形成FeNi固容體層;在鈦及鈦基合金材料表面形成Ni3TiNiTi。若工作氣體為CrCl4，則在能在金屬材料表面形成CrFe、CrMo、CrTi、及CrNi等固溶體層。工作氣體為MoCl5，則在金屬材料表面形成MoNi，MoNi3MoNi4及MoTiFe7Mo6、FeMo等固溶體層。工作氣體為WCl5時(shí)，則在金屬材料表面形成W6Fe7、WFe2、Ni4W等合金層。工作氣體為NbCl5時(shí)，則在金屬材料表面形成Fe2Nb、Fe21Nb19、Fe2Nb3、NiNb、NiNb3、Nb3Sn、Nb6Sn5及NbSn2等合金層。當(dāng)工作氣體為VCb5時(shí)，能在金屬材料表面形成FeV、TiV等固溶體層。工作氣體為CuCl5時(shí)，則可在金屬材料表面形成Cu4Ti、Cu2Ti、Cu3Ti2、CuTi、CuTi2、CuFe、CuNi等固溶體層。

上述實(shí)施例中所介紹的滲金屬設(shè)備乃是該設(shè)備的主體部分，為了使該設(shè)備能正常地運(yùn)轉(zhuǎn)，真空反應(yīng)室采用防腐材料制成，例如，不銹鋼、滲鋁或滲鈦的表面材料等。另外，該設(shè)備還裝備有一些常用的裝置，如，控制壓力的壓力計(jì)（14）控制流量的流量計(jì)（23），一些閥門（12，13，17，19，22），廢氣凈化器（21），沉積反應(yīng)物冷阱（18）氣瓶（24），觀察窗（6），石英玻瓶（11）等。這些對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說都是公知的。

綜觀上述本發(fā)明方法及設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）由于采用金屬化合物直接加熱氣化而后在高壓電場(chǎng)下進(jìn)行輝光放電的方法，加快了滲金屬的速度，可在較其他方法低幾百度的條件下形成表面滲金屬層，且所形成的表面滲層均一，滲層深度深。

（2）輝光放電的金屬離子轟擊金屬材料或工件表面，能對(duì)其表面進(jìn)行加熱。

（3）由于金屬化合物可以放在蒸發(fā)器中加熱，這樣，對(duì)加熱溫度控制就更加容易，更加準(zhǔn)確，此外蒸發(fā)器的位置可以靈活處理，即可以放在反應(yīng)室中，又可以放在反應(yīng)室外。

（4）本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓力，工作氣體濃度，金屬材料或工件的溫度，滲金屬的時(shí)間以及陰陽極之間電流電壓等來得到不同的相結(jié)構(gòu)及表面合金層深度。

（5）本發(fā)明方法應(yīng)用范圍廣泛，可以應(yīng)用在許多金屬材料上形成合金表面層。