專利名稱：離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝的制作方法
技術領域：
本發明離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝屬于金屬材料表面改性的范疇。是把多弧離子鍍沉積速度快和離子束注入反沖形成偽擴散層的優點有機的結合起來，實現金屬工件表面快速滲鍍金屬碳、氮化合物硬質涂層的工藝及裝置。
注和鍍的工藝相復合，都是在復雜昂貴的注入設備上添加鍍的裝置，通常使用的雙束和三離子束的IBED技術，是把離子束濺射沉積和高能離子注入相結合，雖有沉積溫度低、鍍層致密以及結合強度高等優點，但由于沉積速率低、鍍膜速度慢，一般只能制作＜2μm的膜厚，而且X射線防護，絕緣等級要求很嚴，設備復雜十分昂貴，離子束具有直射性、處理異形復雜表面很困難，使其推廣應用受到了一定的限制。
近年來，在離子注入領域，已對高能的必要性提出質疑，有的研究表明氮離子注入時為增加注入反沖的深度，提高束流密度比提高離子的能量更有效，可獲得更深的改性層。多弧離子鍍技術是從70年代發展的新技術，有沉積速度快、結合力較強、設備簡單、成本低等優點，但表面質量較差，結合強度較低，從而限制了進一步的應用。本發明就是在同一真空容器內設置中低能、大束流的離子源和陰極電弧源，利用多弧陰極電弧源提供大量的高能量、高密度、高離化率的金屬原子、離子，再利用中低能、大束流的離子源把金屬原子、離子注入利用輝光適當升溫的基體表面，把兩者的優點結合起來，不僅提高擴散層(共混層)深度，使涂層的結合強度和涂層質量提高，而且沉積速率大大加速，滲鍍速度快，生產成本低，可擴大使用范圍。
其三，在鐘罩1的頂部安裝有中低能3～50kev、大束流10～200mA的離子源17，在陰極電弧源鍍金屬或合金的涂層時，同時注入N，由于工件溫度較高，可在工件表面形成有一定擴散層的金屬氮化物硬質涂層。
其四，在由陰極電弧源3滲鍍金屬和合金的同時，由離子源17通入碳氫氣注入碳，可在工件表面滲鍍金屬或合金的碳化物涂層，若同時由離子源注入碳和氮還可以在工件表面滲鍍金屬碳、氮化合物層。欲滲工件14滲鍍金屬碳、氮化合物時的溫度為200～700℃，弧源電壓20～22V，電流50～150A，離子束能量5～40kev，束流密度10～150mA，工作氣壓為2×10-2～8×10-1Pa，工件14偏壓200～500V，輔助源極電壓400～700V。
本發明具有滲鍍速度快、滲層厚度成份容易控制，相對IBED來說，設備簡單、成本較低，是目前最新的一種注和鍍相結合的新方法。
權利要求
1.一種離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置其特征在于，是在極限真空度1×10-3～5×10-3Pa并能充入氣體介質的真空容器(18)內，設置陰極轉動系統，陰極電弧源系統，中低能離子源系統，同時配備有抽氣、供氣、測溫系統，其陰極轉動系統由被處理工件(14)、輔助源極(11)、陰極托盤(10)和轉動機構(7)組成，陰極電弧源系統由陰極電弧源(3)、引弧鉤(2)和電弧電源(4)組成，送氣系統是由供氣瓶(15)和送氣口(16)組成，測溫系統是由測溫儀(13)和觀察孔(12)組成，抽氣系統由機械泵(9)和擴散泵(8)組成，工件(14)和輔助源極(11)置于陰極托盤(10)上，陰極電弧源(3)和引弧鉤(2)置于真空鐘罩壁(1)上，正對于工件(14)，中低能離子源(17)置于鐘罩壁(1)的頂部，在陽極鐘罩(1)和陰極電弧源(3)之間連接一連續可調0～100V、0～300A的直流電源(4)，在陽極鐘罩(1)和陰極托盤(10)之間連接一個可調的0～1000V的直流負偏電源(6)，在陽極鐘罩(1)和輔助源極(11)之間連接一個可調的0～1000V的直流電源(5)，其陰極電弧源(3)的電弧靶材由欲滲鍍的金屬和合金制成，形狀為圓柱形等，直徑和厚度為φ50～80×35～60mm，其工件(14)周圍設置的輔助源極(11)為金屬絲網，與工件保持一定距離，其鐘罩(1)頂部安放的離子源(17)為中低能，大束流離子源。
2.按照權利要求1所述的一種離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置，其特征在于構成陰極電弧源(3)的材質是由任何可以導電的金屬和合金制成，形狀可以為圓形，也可以是方形，尺寸為200×400mm。
3.按照權利要求1所述的一種離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置其特征在于輔助源極11是由同陰極電弧源靶材同質的金屬絲網制成，與工件14保持10～30mm距離。
4.按照權利要求1所述的一種離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置其特征在于，離子源17的能量為中低能3～50KeV，大束流為10～200mA。
5.采用權利要求1所述的一種離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置的工藝，其特征在于，首先由抽氣系統的機械泵(9)和擴散泵(8)將真空容器抽到極限真空度1×10-3～5×10-3Pa，由供氣系統(15)充入Ar氣，分壓在1Pa～20Pa，由電源(5)供給輔助源極(11)電壓400～700V，由電源(6)供給工件偏壓電源200～500V，對被處理工件進行離子清洗和予升溫，使工件加熱到200～700℃，而后再抽真空到2×10-2～8×10-1Pa，此時給陰極電弧源(3)供電20～22V、60～150A，由陰極電弧源發射出高能量、高離化率的金屬、合金的金屬離子流，在工件(14)負偏壓(200～500V)吸引下，高速到達工件表面形成金屬和合金鍍層，鍍的同時打開離子源(17)，由離子源注入工件表面氮，離子源能量5～40kev，束流10～150mA，工件溫度400～500℃，處理時間30分鐘，滲鍍層厚度可達3～5μm，偽擴散層厚度可達0.5～1μm。鐘罩(1)上設置金屬陰極電弧源(3)滲鍍金屬和合金的同時，由離子源(17)注入氮可在工件(14)表面滲鍍金屬氮化物，若由離子源注入碳可滲鍍金屬碳化物硬質涂層，若同時由離子源注入碳、氮可在工件表面滲鍍金屬碳、氮化合物層，真空容器(18)的極限真空度為1×10-3～5×10-3Pa，充入的氣體介質可以是Ar氣、N2氣和碳氮氣體，工作氣壓為2×10-2～8×10-1Pa。
6.按照權利要求5所述的一種離子束增強弧輝滲鍍涂層工藝其特征在于所述欲滲工件(14)滲鍍金屬氮、碳化合物硬質涂層的溫度為200～700℃，弧源電流為50～150A，離子束能量5～40KeV，束流密度為10～150mA，工作氣壓為2×10-2～8×10-1Pa。工件偏壓200～500V，輔助源極電壓400～700V。
全文摘要
本發明離子束增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝屬于金屬材料表面改性的范疇，其特征是在加弧輝光離子滲鍍裝置中，加入一個中低能束離子源，利用真空電弧原理從金屬陰極電弧源發射出的金屬離子流，快速沉積于利用輝光加熱的工件表面，然后由中低能離子束注入碳或氮，使其沉積層與工件基體形成擴散層和鍍層，把多弧離子鍍沉積速度快和離子束注入反沖形成偽擴散層有機結合起來，在較低溫度的工件表面快速形成金屬碳、氮化合物硬層涂層。
文檔編號C23C8/36GK1390975SQ02110190
公開日2003年1月15日 申請日期2002年3月20日 優先權日2002年3月20日
發明者潘俊德, 徐重, 唐賓, 田林海, 張高會 申請人:太原理工大學