CN100490052C - 多阴极脉冲弧等离子体源装置 - Google Patents

Abstract

多阴极脉冲弧等离子体源装置，它涉及一种脉冲等离子体产生装置。针对现有脉冲阴极弧等离子体源，存在易短路的问题及采用在真空室上安装多个阴极弧等离子体源，存在设备投资大和采用破坏真空的方法，存在工件强化层性能差的问题。本发明的推进杆(14)装在阴极外套(2)内并与阴极(4)相连接，装在阴极(4)上的触发极(6)与阴极(4)之间装有绝缘瓷套(7)，公共弹簧触发杆装置(20)的一端与相对应的触发极(6)相接触，推进杆(14)上装有螺旋传动的从动齿轮(13)，移动杆(15)的下端装在阴极外套(2)内，移动杆(15)的下端装有主动齿轮(12)，阳极(5)位于阴极4的正下方，阳极(5)的下端装有不锈钢弯管总成(10)。本发明具有稳定工作时间长、可在不破坏真空的条件下实现多个阴极的任意切换的优点。

Description

多阴极脉冲弧等离子体源装置

技术领域

本发明涉及一种脉冲等离子体产生装置。

背景技术

等离子体浸没离子注入与沉积(Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，PIIID)技术已在国内和国际得到了广泛关注，美国、欧洲、日本、澳大利亚等国家和地区已经把PIIID技术作为精密零件表面强化处理的重要手段之一。目前，利用PIIID技术已经能够实现气体离子注入、气体+金属离子混合注入、化合物沉积等多种强化处理工艺，强化处理后材料表面的显微硬度、耐磨损、抗腐蚀和接触疲劳寿命等性能已得到较大地提高。

决定PIIID技术在工业生产中广泛应用的关键技术之一是：脉冲阴极弧等离子体源是否具有较长的稳定工作时间。脉冲阴极弧等离子体源主要由两部分组成：弧放电装置和磁过滤装置。弧放电装置主要由阴极、阳极、触发极及其供电部分组成，它主要用来产生金属等离子体；磁过滤装置由一定角度的磁导管和磁场电源部分组成，它主要用来过滤弧放电装置产生的宏观和中性粒子。脉冲阴极弧等离子体源一般采用脉冲高压触发的方式来引燃阴极和阳极之间的电弧，由于电弧燃烧时产生的宏观粒子沾附到触发极与阴极之间的绝缘瓷套上后很容易使触发极与阴极短路，从而使脉冲阴极弧等离子体源不能正常稳定工作。因此，要使PIIID技术在工业上广泛应用，必须提高脉冲阴极弧等离子体源的稳定工作时间。

此外，在PIIID技术中，离子注入与沉积复合处理是获得高性能表面强化层的关键工艺。例如铝合金零件，需要先进行Ti离子注入，然后合成TiN和CrN薄膜，然后再合成类金刚石薄膜。在这种复合处理工艺中，要求脉冲阴极弧等离子体源能够产生Ti，Cr和C等不同的等离子体。目前，常规脉冲阴极弧等离子体源只能产生单一的等离子体，要产生不同的等离子体，国际上一般采取以下两种方法：一是在真空室上安装多个阴极弧等离子体源的方式，通过样品的转动实现不同离子的注入或者沉积，采用此方法，存在设备投资大的问题；二是采用破坏真空的方法，先对真空系统放气，在大气条件下改变等离子体源的阴极材料然后抽真空以实现真空条件下不同等离子体的产生，虽然这种方法的设备投资较低，但是，由于破坏真空，外界大气有可能对工件表面产生污染，导致强化层性能变差，另外，由于真空抽气时间很长，其工作效率较低。因此，要实现多种PIIID复合处理工艺，必须研制出具有多阴极的脉冲阴极弧等离子体源，使阴极能够在不破坏真空的情况下自由切换。

发明内容

本发明的目的是提供一种多阴极脉冲弧等离子体源装置，该装置可解决脉冲阴极弧等离子体源由于触发极与阴极容易短路而导致的等离子体源不能长时间稳定工作的问题及为产生不同的等离子体，采用在真空室上安装多个阴极弧等离子体源的方式，存在设备投资大的问题及采用破坏真空的方法，存在工件的强化层性能差、工作效率低的问题。

本发明包括阳极外套、阴极外套、上端盖、磁场线圈一、绝缘垫圈、绝缘垫、推力轴承、绝缘块、弧放电装置和磁过滤装置；本发明还包括主动齿轮、从动齿轮、推进杆、移动杆、支撑杆、手柄一、手柄二、轴承一和旋转圆筒；所述的弧放电装置由阴极、阳极、触发极、绝缘瓷套和公共弹簧触发杆装置组成；所述的磁过滤装置由不锈钢弯管和磁场线圈二组成；阳极外套与上端盖之间装有绝缘垫圈，旋转圆筒上装有推力轴承，旋转圆筒的下端穿过上端盖的中心孔与阴极外套的上端固定连接，阴极外套装在阳极外套内，装在阴极外套上的推进杆的下端与阴极的上端固定连接，阴极沿阴极外套的底端面的圆周均布，触发极通过绝缘瓷套装在阴极上，阳极外套内装有公共弹簧触发杆装置，公共弹簧触发杆装置的一端与相对应的触发极相接触，公共弹簧触发杆装置通过绝缘块、支撑杆与上端盖固定连接，推进杆的上端外壁上具有外螺纹，推进杆的上端装有与推进杆螺纹连接的从动齿轮，移动杆穿过旋转圆筒装在阴极外套内，移动杆的上端与手柄一固定连接，移动杆的下端固定装有与从动齿轮相啮合的主动齿轮，移动杆与旋转圆筒的上下两端之间各装有轴承一，旋转圆筒的侧壁上固定装有手柄二，阳极外套的外端面上装有磁场线圈一，阳极位于多个阴极构成的中心圆圆周的正下方，阳极与阳极外套的下端面固定连接，阳极的下端装有与阳极外套的下端面固定连接的不锈钢弯管，阳极与不锈钢弯管之间装有绝缘垫，不锈钢弯管的外壁上缠绕有磁场线圈二。

本发明具有以下有益效果：一、本发明通过旋转与旋转圆筒固定连接的手柄二，带动旋转圆筒、阴极外套、阴极、触发极、绝缘瓷套和推进杆绕阴极外套的中心轴线旋转，当沿阴极外套底端面的圆周均布的阴极逐个旋转到阳极的正上方时，若沿阴极外套底端面圆周均布的阴极采用不同的材料制成，就可以在不破坏真空的条件下实现不同等离子体的切换，从而大大提高了全方位离子注入与沉积复合处理工艺的种类，大大地降低了设备成本；当沿阴极外套端面圆周均布的阴极逐个旋转到阳极的正上方时，若沿阴极外套端面圆周均布的阴极采用同一材料制成，即使其中的一个阴极与触发极短路，也不会影响本发明的等离子体装置的稳定工作。二、本发明通过手柄一带动移动杆上下移动，使装在移动杆上的主动齿轮和任意一个从动齿轮相啮合，当手柄一转动时，可以带动从动齿轮旋转，从而带动相应的推进杆和阴极上下移动；此外，当工作过程中阴极材料消耗时，在不破坏真空的情况下就可以实现阴极的推进。三、由于公共弹簧触发杆装置通过支撑杆和绝缘块与上端盖固定连接，当阴极外套绕其中心轴线旋转时，可伸缩的触发杆可保证触发极与公共弹簧触发杆装置紧密接触。四、本发明具有结构简单、使用方便、稳定工作时间长、可在不破坏真空的条件下实现多个阴极的任意切换的优点，并解决了多种等离子体难以由一个脉冲阴极弧等离子体源产生的问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视剖面图，图2是图1的A-A剖面图，图3是图1的B部放大图，图4是采用三个阴极4沿圆周均布的俯视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式由阳极外套1、阴极外套2、上端盖3、磁场线圈一9、绝缘垫圈8、绝缘垫11、推力轴承23、绝缘块22、主动齿轮12、从动齿轮13、推进杆14、移动杆15、支撑杆16、手柄一17、手柄二18、轴承一19、旋转圆筒21、弧放电装置101和磁过滤装置102组成；所述的弧放电装置101由阴极4、阳极5、触发极6、绝缘瓷套7和公共弹簧触发杆装置20组成；所述的磁过滤装置102由不锈钢弯管10和磁场线圈二25组成；阳极外套1与上端盖3之间装有绝缘垫圈8，旋转圆筒21上装有推力轴承23，旋转圆筒21的下端穿过上端盖3的中心孔与阴极外套2的上端固定连接，阴极外套2装在阳极外套1内，装在阴极外套2上的推进杆14的下端与阴极4的上端固定连接，阴极4沿阴极外套2的底端面2-1的圆周均布，触发极6通过绝缘瓷套7装在阴极4上，阳极外套1内装有公共弹簧触发杆装置20，公共弹簧触发杆装置20的一端与相对应的触发极6相接触，公共弹簧触发杆装置20通过绝缘块22、支撑杆16与上端盖3固定连接，推进杆14的上端外壁上具有外螺纹14-1，推进杆14的上端装有与推进杆14螺纹连接的从动齿轮13，移动杆15穿过旋转圆筒21装在阴极外套2内，移动杆15的上端与手柄一17固定连接，移动杆15的下端固定装有与从动齿轮13相啮合的主动齿轮12，移动杆15与旋转圆筒21的上下两端之间各装有轴承一19，旋转圆筒21的侧壁上固定装有手柄二18，阳极外套1的外端面上装有磁场线圈一9，阳极5位于多个阴极4构成的中心圆4-1圆周的正下方，阳极5与阳极外套1的下端面固定连接，阳极5的下端装有与阳极外套1的下端面固定连接的不锈钢弯管10，不锈钢弯管10的外壁上缠绕有磁场线圈二25，阳极5与不锈钢弯管10之间装有绝缘垫11，可以保证阳极5与不锈钢弯管10的绝缘，不锈钢弯管10可过滤弧放电产生的宏观粒子和中性粒子，所缠绕的磁场线圈二25可产生100～600高斯的磁场。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的不锈钢弯管10的弯曲角度α为45°～90°。如此设置，具有较好的磁过滤效果。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二的不同点是：本实施方式的不锈钢弯管10的外径Φ1为80～300mm。可根据阴极4和阳极5的直径大小进行选择。

具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的公共弹簧触发杆装置20由弹簧20-1、弹簧座套20-2和公共触发杆20-3组成；公共触发杆20-3的一端穿过弹簧座套20-2与相对应的触发极6相接触，装在弹簧座套20-2内的公共触发杆20-3上设有凸台肩20-3-1，凸台肩20-3-1与弹簧座套20-2的内端面之间装有弹簧20-1，弹簧座套20-2通过绝缘块22和支撑杆16与上端盖3固定连接。如此设置，可实现触发极6与上端盖3之间的绝缘，还可保证公共触发杆20-3的伸缩距离在1～20mm之间，公共触发杆20-3由弹簧20-1顶紧，可以保证公共触发杆20-3与触发极6的紧密接触。

具体实施方式五：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的阴极4沿阴极外套2的底端面2-1的圆周均布有6个。可根据实际需要选择。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、五的不同点是：本实施方式的阴极4的直径Φ2为20～80mm。可根据实际需要选择。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的阴极4与触发极6之间的绝缘距离h为1～10mm。可根据需要调整。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的阳极5的端口内径Φ3为40～100mm。根据阴极4直径的不同选择相适应的阳极5的端口内径Φ3。

具体实施方式九：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式中的弧放电装置101由3个直径为30mm的阴极4、3个绝缘磁套7、3个触发极6、1个阳极5和一个公共弹簧触发杆装置20组成；每个阴极4与触发极6之间的绝缘距离h为3mm，3个阴极4的材料分别为Ti、Cr和C，阳极5的端口内径Φ3为40mm；本实施方式中的磁过滤装置102中的不锈钢弯管10的外径Φ1为200mm，不锈钢弯管10的弯曲角度α为90°。如此设置，可以实现Ti、Cr和C这三种不同等离子体的切换。

具体实施方式十：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式中的弧放电装置101由3个直径为30mm的阴极4、3个绝缘磁套7、3个触发极6、1个阳极5和1个公共弹簧触发杆装置20组成；每个阴极4与触发极6之间的绝缘距离h为3mm，3个阴极4的材料均为Ti，阳极5的端口内径Φ3为40mm；本实施方式中的磁过滤装置102中的不锈钢弯管10的外径Φ1为200mm，不锈钢弯管10的弯曲角度α为90°。如此设置。

Claims (8)

1、一种多阴极脉冲弧等离子体源装置，它包括阳极外套(1)、阴极外套(2)、上端盖(3)、磁场线圈一(9)、绝缘垫圈(8)、绝缘垫(11)、推力轴承(23)、绝缘块(22)、弧放电装置(101)和磁过滤装置(102)；其特征在于本发明还包括主动齿轮(12)、从动齿轮(13)、推进杆(14)、移动杆(15)、支撑杆(16)、手柄一(17)、手柄二(18)、轴承一(19)和旋转圆筒(21)；所述的弧放电装置(101)由阴极(4)、阳极(5)、触发极(6)、绝缘瓷套(7)和公共弹簧触发杆装置(20)组成；所述的磁过滤装置(102)由不锈钢弯管(10)和磁场线圈二(25)组成；阳极外套(1)与上端盖(3)之间装有绝缘垫圈(8)，旋转圆筒(21)上装有推力轴承(23)，旋转圆筒(21)的下端穿过上端盖(3)的中心孔与阴极外套(2)的上端固定连接，阴极外套(2)装在阳极外套(1)内，装在阴极外套(2)上的推进杆(14)的下端与阴极(4)的上端固定连接，阴极(4)沿阴极外套(2)的底端面(2-1)的圆周均布，触发极(6)通过绝缘瓷套(7)装在阴极(4)上，阳极外套(1)内装有公共弹簧触发杆装置(20)，公共弹簧触发杆装置(20)的一端与相对应的触发极(6)相接触，公共弹簧触发杆装置(20)通过绝缘块(22)、支撑杆(16)与上端盖(3)固定连接，推进杆(14)的上端外壁上具有外螺纹(14-1)，推进杆(14)的上端装有与推进杆(14)螺纹连接的从动齿轮(13)，移动杆(15)穿过旋转圆筒(21)装在阴极外套(2)内，移动杆(15)的上端与手柄一(17)固定连接，移动杆(15)的下端固定装有与从动齿轮(13)相啮合的主动齿轮(12)，移动杆(15)与旋转圆筒(21)的上下两端之间各装有轴承一(19)，旋转圆筒(21)的侧壁上固定装有手柄二(18)，阳极外套(1)的外端面上装有磁场线圈一(9)，阳极(5)位于多个阴极(4)构成的中心圆(4-1)圆周的正下方，阳极(5)与阳极外套(1)的下端面固定连接，阳极(5)的下端装有与阳极外套(1)的下端面固定连接的不锈钢弯管(10)，阳极(5)与不锈钢弯管(10)之间装有绝缘垫(11)，不锈钢弯管(10)的外壁上缠绕有磁场线圈二(25)。

2、根据权利要求1所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的不锈钢弯管(10)的弯曲角度α为45°～90°。

3、根据权利要求1或2所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的不锈钢弯管(10)的外径Φ1为80～300mm。

4、根据权利要求1所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的公共弹簧触发杆装置(20)由弹簧(20-1)、弹簧座套(20-2)和公共触发杆(20-3)组成；公共触发杆(20-3)的一端穿过弹簧座套(20-2)与相对应的触发极(6)相接触，装在弹簧座套(20-2)内的公共触发杆(20-3)上设有凸台肩(20-3-1)，凸台肩(20-3-1)与弹簧座套(20-2)的内端面之间装有弹簧(20-1)，弹簧座套(20-2)通过绝缘块(22)和支撑杆(16)与上端盖(3)固定连接。

5、根据权利要求1所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的阴极(4)沿阴极外套(2)的底端面(2-1)的圆周均布有3～6个。

6、根据权利要求1或5所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的阴极(4)的直径Φ2为20～80mm。

7、根据权利要求1所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的阴极(4)与触发极(6)之间的绝缘距离h为1～10mm。

8、根据权利要求1所述的多阴极脉冲弧等离子体源装置，其特征在于所述的阳极(5)的端口内径Φ3为40～100mm。

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