金属材料表面渗金属可以大幅度提高其表面硬度、耐腐蚀性和抗高温氧化性,对于提高产品质量和节约自然资源十分有意义。但是由于缺少方便实用的渗入金属介质,渗金属在实际中应用仍然较少。本文研究一种新的离子溅射渗金属技术,它是在普通离子渗氮炉内,放置欲渗金属的板状阴极,构成空心阴极效应,再将试验工件绝缘地放置在空心阴极区域,利用空心阴极辉光放电对工件进行加热的同时,使欲渗金属溅射到工件表面上;溅射金属在高温下向工件内部扩散,形成金属扩散层。 本文研究了纯铜表面和低碳钢表面离子溅射渗镍。研究了溅射粒子在基体上的生长方式和过程,并通过对所得渗层表面形貌、渗层厚度和成分的分析,研究了工艺条件对它们的影响。溅射金属在铜基体表面首先形成稳定的晶核,然后长大成岛状结构、网状结构后形成连续的渗层;随着温度的升高,部分原子扩散进入基体,大部分原子在表面沉积,沉积的原子主要以柱状生长模式使渗层不断加深。整个溅射渗入过程是一个先吸附沉积再扩散的过程,最后在纯铜表面生成柱状晶的渗镍层。碳钢表面渗镍层的形貌为等轴状晶。对渗层的分析结果表明温度与气压对渗层表面形貌影响较大;高温低气压时得到的膜层较为致密,低温时渗层表面空洞较多。而对渗层厚度、成分影响较大的有温度、气压和保温时间。升高温度和延长时间,所得渗层的深度增加。气压增加,渗层深度却减小。铜表面镍含量随温度升高而升高,铁表面镍含量随温度升高而降低,却都随时间的延长而升高。 最终确定出最佳工艺参数为:压力300Pa、温度900-950℃、保温时间2-3h。在920℃、300Pa下渗镍2h后,纯铜表面得到深58μm表面含镍67.1%的渗层,碳钢表面的渗层深47μm表面镍含量为74.9%。