CN101302606A - 镁合金表面强化方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种镁合金表面强化方法及其装置，主要是在一真空容器内设置可旋转的放置镁合金工件的阴极转动系统，在真空容器壁上设置离子源系统、阴极电弧源系统、抽气系统、测温系统和送气系统组成镁合金表面强化装置；利用多弧阴极电弧源提供的高能的金属原子，离子，再利用中低能，小束流的离子源把金属原子，离子注入适当升温的工件表面结合成高强度和高质量的涂层。本发明的方法有效简便，装置结构紧凑、简单，造价低廉，使用维护修理简易。

Description

镁合金表面强化方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种对镁合金工件表面进行强化的方法及其设备。

背景技术

注和镀的工艺相复合，都是在复杂昂贵的注入设备上添加镀的装置，通常使用的双束和三离子束的IBED技术，是把离子束溅射沉积和高能离子注入相结合，虽有沉积温度低、镀层致密以及结合强度高等优点，但由于沉积速率低、镀膜速度慢，一般只能制作＜2μm的膜厚，而且X射线防护，绝缘等级要求很严，设备复杂十分昂贵，离子束具有直射性、处理异形复杂表面很困难，使其推广应用受到了一定的限制。

近年来，在离子注入领域，已对高能的必要性提出质疑，有的研究表明氮离子注入时为增加注入反冲的深度，提高束流密度比提高离子的能量更有效，可获得更深的改性层。多弧离子镀技术是从70年代发展的新技术，有沉积速度快、结合力较强、设备简单、成本低等优点，但表面质量较差，结合强度较低，从而限制了进一步的应用。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于避免上述不足，提供一种在同一真空容器内设置中低能、小束流的离子源和阴极电弧源，利用多弧阴极电弧源提供大量的高能量、高密度、高离化率的金属原子、离子，再利用中低能、小束流的离子源把金属原子、离子注入利用辉光适当升温的基体表面，把两者的优点结合起来的对镁合金表面强化的方法和装置。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种镁合金表面强化方法，具体如下：由抽气系统(5)将真空容器(1)抽到极限真空度1×10^-3Pa～5×10^-3Pa，由送气系统(6)充入气体介质3×10^-2Pa～3×10^-3Pa于真空容器(1)内；其一，阴极电极的靶材是由欲渗镀的金属和合金支撑的圆柱形体，由直流电弧电源(43)供给20V～40V电压、60A～100A的电流之后，引燃电弧可发射出离子流，对镁合金负偏压电源(26)加入200V～300V电压后，会在镁合金工体(24)表面快速形成欲渗镀金属和合金的渡渗层；其二，在距镁合金工体(24)5mm～10mm设置的辅助源极(22)，其形状为金属板，材料与阴极电弧源(41)的材质相同，在引燃电弧前，由送气系统(6)通入Ar气，分压在1Pa～20Pa，接通辅助源极电源(25)，加入300V～500V电压，利用辉光放电溅射原理给镁合金工体(24)进行等离子清洗，并使其升温到100℃～300℃，其目的是为离子源注入Ti或N进行离子轰击时，由于基体镁合金温度较高，可使为扩散层增加，辅助源极(22)既是升温源，又是合金元素辅助供给源；其三，在钟罩(1)的顶部安装有中低能30kev～45kev、小束流3mA～8mA的离子源(31)，注入剂量3×10¹⁶～9×10¹⁷，同时注入Ti或N后，再利用阴极电弧源(41)镀金属或合金的涂层，由于镁合金温度较高，可在镁合金表面形成有良好结合强度的陶瓷涂层。

镁合金表面强化的装置，主要由真空容器(1)，阴极转动系统(2)，离子源系统(3)，阴极电弧源系统(4)，抽气系统(5)，送气系统(6)和测温系统(7)组成，其中：阳极钟罩(11)和罩底(12)密封式连接组成真空容器(1)，在真空容器(1)内设置可转动的阴极转动系统(2)，它由阴极托盘(21)，置于阴极托盘(21)上的辅助源极(22)和驱动阴极托盘(21)转动的传动机构(23)组成，在阴极托盘(21)上放置镁合金工体(24)，由电动机(231)和传动组件(232)组成传动机构(23)，在阳极钟罩(11)和辅助源极(22)之间连接一个可调的0V～1500V的直流辅助源极电源(25)，在阳极钟罩(11)和阴极托盘(21)之间连接一个可调的0V～1500V的直流负偏压电源(26)；在阳极钟罩(11)的顶部，正对着阴极托盘(21)方向设置有由中低能，小流束离子源(31)组成的离子源系统(3)；在阳极钟罩(11)的侧壁上设置有阴极电弧源(41)，引钩弧(42)和直流电弧电源(43)，组成阴极电弧源系统(4)，其中的直流电弧电源(43)连接在阳极钟罩(11)和阴极电弧源(41)之间，连续可调0V～40V，0A～100A；在罩底(12)上设置有带传感器(53)的机械泵(51)和扩散器(52)组成抽气系统(5)，扩散器(52)通过抽气孔(54)与罩底(12)连接；在阳极钟罩(11)的顶壁上还设置有送气口(61)，并与供气瓶(62)相连接，从而组成送气系统(6)；在阳极钟罩(11)的另一侧壁上设置有玻璃观察孔(71)，并与测温仪(72)相对应组成测温系统(7)。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明使其在镁合金工件表面上的涂层结合强度高，表面质量好，渗镀速度快，渗层厚度成分容易控制，生产成本低。

2、本发明的装置结构紧凑简单，相对IBED来说，设备简便，易于操纵，使用维护修理简易。

附图说明

图1为本发明镁合金表面强化装置结构总体示意图

具体实施方式

由图1示出镁合金表面强化装置的结构总体示意图，方法流程可参见其中。

一种镁合金表面强化方法，具体如下：由抽气系统5将真空容器1抽到极限真空度1×10^-3Pa～5×10^-3Pa，由送气系统6充入气体介质3×10^-2Pa～3×10^-3Pa于真空容器1内；其一，阴极电极的靶材是由欲渗镀的金属和合金支撑的圆柱形体，由直流电弧电源43供给20V～40V电压、60A～100A的电流之后，引燃电弧可发射出离子流，对镁合金负偏压电源26加入200V～300V电压后，会在镁合金工体24表面快速形成欲渗镀金属和合金的渡渗层；其二，在距镁合金工体24周围5mm～10mm设置的辅助源极22，其形状为金属板，材料与阴极电弧源41的材质相同，在引燃电弧前，由送气系统6通入Ar气，分压在1Pa～20Pa，接通辅助源极电源25，加入300V～500V电压，利用辉光放电溅射原理给镁合金工体24进行等离子清洗，并使其升温到100℃～300℃，其目的是为离子源注入Ti或N进行离子轰击时，由于基体镁合金温度较高，可使为扩散层增加，辅助源极22既是升温源，又是合金元素辅助供给源；其三，在钟罩1的顶部安装有中低能30kev～45kev、小束流3mA～8mA的离子源31，注入剂量3×10¹⁶～9×10¹⁷，同时注入Ti或N后，再利用阴极电弧源41镀金属或合金的涂层，由于镁合金温度较高，可在镁合金表面形成有良好结合强度的陶瓷涂层。

镁合金表面强化装置，主要由真空容器1，阴极转动系统2，离子源系统3，阴极电弧源系统4，抽气系统5，送气系统6和测温系统7组成，其中：阳极钟罩11和罩底12密封式连接组成真空容器1，在真空容器1内设置可转动的阴极转动系统2，它由阴极托盘21，置于阴极托盘21上的辅助源极22和驱动阴极托盘21转动的传动机构23组成，在阴极托盘21上放置镁合金工体24，由电动机231和传动组件232组成传动机构23，在阳极钟罩11和辅助源极22之间连接一个可调的0V～1500V的直流辅助源极电源25，在阳极钟罩11和阴极托盘21之间连接一个可调的0V～1500V的直流负偏压电源26；在阳极钟罩11的顶部，正对着阴极托盘21方向设置有由中低能，小流束离子源31组成的离子源系统3；在阳极钟罩11的侧壁上设置有阴极电弧源41，引钩弧42和直流电弧电源43，组成阴极电弧源系统4，其中的直流电弧电源43连接在阳极钟罩11和阴极电弧源41之间，连续可调0V～40V，0A～100A；在罩底12上设置有带传感器53的机械泵51和扩散器52组成抽气系统5，扩散器52通过抽气孔54与罩底12连接；在阳极钟罩11的顶壁上还设置有送气口61，并与供气瓶62相连接，从而组成送气系统6；在阳极钟罩11的另一侧壁上设置有玻璃观察孔71，并与测温仪72相对应组成测温系统7。

另知，阴极电弧源41的电弧靶材由欲渗镀的金属和合金制成，形状为圆柱形，直径和厚度是φ50×60mm。

在真空容器1内充入的气体介质可以是Ar气体，N₂气体和碳氮气体。

下面参照实施例对本发明作进一步描述：

对镁合金工体24进行渗镀金属氮化物涂层，首先由抽气系统5的机械泵51和扩散器52将真空容器1抽到极限真空度1×10^-3～5×10^-3Pa，由送气系统6充入Ar气，分压在1Pa～20Pa，由辅助源极电源25供给辅助源极22电压300～500V，由负偏压电源26供给镁合金负偏压电源26以200～300V，对被处理镁合金进行离子清洗和予升温，使镁合金加热到100～300℃，而后再抽真空到3×10^-2～3×10^-3Pa，此时给阴极电弧源41供电20～40V、60～100A，打开离子源31，由离子源31注入镁合金表面氮，离子源31能量30～45kev，束流3～8mA。同时开启阴极电弧源41，由其发射出高能量、高离化率的金属、合金的金属离子流，镁合金工体24在负偏压(200～300V)吸引下，高速到达镁合金表面形成金属和合金镀层，渗镀镁合金表面的金属离子，依靠氮离子轰击注入，形成扩散层，使结合强度、膜的致密度大大提高。以渗镀TiN涂层为例：

镁合金工体温度100～300℃，处理时间30分钟，渗镀层厚度可达3～5μm，结合强度显著提高。

本发明具有渗镀速度快、渗层厚度成份容易控制，相对IBED来说，设备简单、成本较低，是目前最新的一种注和镀相结合的新方法。

Claims (7)

1、一种镁合金表面强化方法，具体如下：由抽气系统(5)将真空容器(1)抽到极限真空，由送气系统(6)充入气体介质于真空容器(1)内；阴极电弧源的电弧靶材由欲渗镀的金属和合金制成，形状为圆柱形，直径和厚度为φ50×60mm，由直流电弧电源(43)供给20V～40V电压、60A～100A的电流之后，引燃电弧可发射出离子流，对镁合金负偏压电源(26)加入200V～300V电压后，在镁合金工体(24)表面快速形成欲渗镀金属和合金的渡渗层；在镁合金工体(24)周围设置的辅助源极为金属板，与镁合金工体(24)保持一定距离，在引燃电弧前，由送气系统(6)充入气体介质，分压在1Pa～20Pa，接通辅助源极电源(25)，加入300V～500V电压，利用辉光放电溅射原理给镁合金工体(24)进行等离子清洗，并使其升温到100℃～300℃；在钟罩(1)的顶部安装有中低能、小束流的离子源(31)，同时注入金属或非金属元素后，再利用阴极电弧源(41)镀金属或合金的涂层，在镁合金表面形成有良好结合强度的陶瓷涂层。

2、一种权利要求1所述方法应用的装置，主要由真空容器(1)，阴极转动系统(2)，离子源系统(3)，阴极电弧源系统(4)，抽气系统(5)，送气系统(6)和测温系统(7)组成，其特征在于：阳极钟罩(11)和罩底(12)密封式连接组成真空容器(1)，在真空容器(1)内设置可转动的阴极转动系统(2)，它由阴极托盘(21)，置于阴极托盘(21)上的辅助源极(22)和驱动阴极托盘(21)转动的传动机构(23)组成，在阴极托盘(21)上放置镁合金工体(24)，由电动机(231)和传动组件(232)组成传动机构(23)，在阳极钟罩(11)和辅助源极(22)之间连接一个可调的0V～1500V的直流辅助源极电源(25)，在阳极钟罩(11)和阴极托盘(21)之间连接一个可调的0V～1500V的直流负偏压电源(26)；在阳极钟罩(11)的顶部，正对着阴极托盘(21)方向设置有由中低能，小流束离子源(31)组成的离子源系统(3)；在阳极钟罩(11)的侧壁上设置有阴极电弧源(41)，引钩弧(42)和直流电弧电源(43)，组成阴极电弧源系统(4)，其中的直流电弧电源(43)连接在阳极钟罩(11)和阴极电弧源(41)之间，连续可调0V～40V，0A～100A；在罩底(12)上设置有带传感器(53)的机械泵(51)和扩散器(52)组成抽气系统(5)，扩散器(52)通过抽气孔(54)与罩底(12)连接；在阳极钟罩(11)的顶壁上还设置有送气口(61)，并与供气瓶(62)相连接，从而组成送气系统(6)；在阳极钟罩(11)的另一侧壁上设置有玻璃观察孔(71)，并与测温仪(72)相对应组成测温系统(7)。

3、根据权利要求1所述的镁合金表面强化方法，其特征在于：阴极电弧源(41)的材质是由任何可以导电的金属和合金制成，形状为圆形。

4、根据权利要求1所述的镁合金表面强化方法，其特征在于：辅助源极(22)是由同阴极电弧源靶材同质的金属板制成，与镁合金工体(24)保持5～10mm距离。

5、根据权利要求1所述的镁合金表面强化方法，其特征在于：离子源的能量为中低能30～45KeV，小束流为3～8mA，注入剂量3×10¹⁶～9×10¹⁷。

6、根据权利要求1所述的镁合金表面强化方法，其特征在于：真空容器(1)的极限真空度为1×10^-3～5×10^-3Pa，充入的气体介质可以是Ar气、N₂气和碳氮气体，工作气压为3×10^-2～3×10^-3Pa。

7、根据权利要求1所述的镁合金表面强化方法，其特征在于：镁合金工体(24)渗镀金属氮、碳化合物陶瓷涂层的温度为100～300℃，弧源电流为50～150A，离子束能量30～45KeV，束流密度为3～8mA，工作气压为3×10^-2～3×10^-3Pa。镁合金偏压200～500V，辅助源极电压400～700V。

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