CN1300371C - 金属离子注入机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属离子注入机，旨在提供一种离子束流强、束流引出电压低、注入面积大、注入时间短、工件加工成本低的金属离子注入机。该机的金属离子源(1)包括阴极(5)、阴极支架(6)、触发电极(7)、绝缘阴极套(8)、阳极(9)、阳极支架(10)、放电室(11)、等离子体室(12)、第一栅(13)、第二栅(14)和第三栅(15)，第一栅(13)与第二栅(14)之间的距离为5～10mm，三个栅板均为2～5mm厚，其上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，本机的弧压电源(19)的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms，频率为5～25Hz。本发明用于生产领域。

Description

金属离子注入机

                          技术领域

本发明涉及一种金属离子注入机。

                          背景技术

常规的表面处理技术，由于需要在高温环境下进行，因此会改变工件的外形尺寸和表面光洁度，使得热处理完后还需要再进行精加工，因而不能达到使用的要求，并且热处理层易发生表面脱皮及剥落现象。

离子注入技术是近年来在国际上发展起来的一种材料表面改性高新技术，其基本原理是：用能量为几十到几百keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。与常规表面处理技术相比，其优越性在于：由于无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；离子注入后无需再进行机械加工和热处理；离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题。

目前国际上已有应用该技术对工件进行表面处理的离子注入机，但是，现有的应用于工业上的离子注入机，其离子束流较弱，束流引出电压较高，注入面积小，注入时间较长，如美国的Z-100和Z-200型注入机，其注入面积为250cm²，我国核工业西南物理研究院的GLZ-100金属用工业离子注入机，其注入面积为300cm²，它们的注入时间为90分钟到2个小时，束流引出电压都大于50kV，所以造成工件加工成本过高。

                          发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种离子束流强、束流引出电压低、注入面积大、注入时间短、工件加工成本低的金属离子注入机。

本发明所采用的技术方案是：本发明包括金属离子源、离子源供电系统、真空室、工件靶台、抽真空系统、冷却系统和控制屏，所述金属离子源设置于所述真空室的上部并与所述真空室相连通，所述工件靶台设置于所述真空室中，所述冷却系统与所述金属离子源相连接，所述控制屏分别与所述离子源供电系统、所述真空室、所述抽真空系统、所述冷却系统相连接，所述金属离子源包括阴极、阴极支架、触发电极、绝缘阴极套、阳极、阳极支架、放电室、等离子体室、第一栅、第二栅和第三栅，所述触发电极由所述绝缘阴极套隔开设置于所述阴极外周，所述放电室上端与所述阴极支架相连接、下端与所述阳极支架相连接，所述放电室外周均匀设有4～8个成对的磁柱，所述等离子体室上端与所述阳极支架相连接、下端与所述第一栅相连接，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅依次由上至下相隔开设置，所述第一栅与所述第二栅之间的距离为5～10mm，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅的栅板均为2～5mm厚，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，所述阳极支架与所述等离子体室之间、所述等离子体室外壁设有四个或四个以上N、S极相间排列的磁环；所述离子源供电系统由触发电源、弧压电源、束流引出电源和负压电源组成，所述触发电源的正极与所述触发电极相连，所述触发电源的负极与所述阴极相连，所述弧压电源的正极分别与所述阳极、所述第一栅及所述束流引出电源的正极相连，所述弧压电源的负极与所述阴极相连，所述负压电源的正极分别与所述束流引出电源的负极、所述第三栅及地面相连，所述负压电源的负极与所述第二栅相连，所述弧压电源的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms、频率为5～25Hz。

所述放电室外周均匀设有6个成对的磁柱，所述第一栅与所述第二栅之间的距离为7mm，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅的栅板均为3mm厚，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅上均设有1627个φ4mm的小孔，所述阳极支架与所述等离子体室之间、所述等离子体室外壁设有5个N、S极相间排列的磁环；所述弧压电源的脉宽为0.5ms。

本发明还包括电机，所述电机采用永磁式直流力矩电动机，所述工件靶台由支柱和靶盘组成，所述靶盘设置于所述支柱上端并可相对所述支柱倾斜，所述电机设置于所述真空室内并分别与所述支柱和所述控制屏相连。

本发明还包括氮气源和质量流量阀，所述质量流量阀分别通过导管与所述氮气源和所述真空室相连通，所述质量流量阀与所述控制屏相连。

本发明的有益效果是：本发明采用了金属离子蒸汽真空弧离子源(通常称为MEVVA)，产生的金属离子种类多，只要以导电的固体材料作阴极，元素周期表中从Li到U各元素均可产生强金属离子束，产生的离子束束流强，电荷剥离率高，例如对Ti来讲，能产生Ti⁺(3％)、Ti⁺⁺(80％)、Ti⁺⁺⁺(17％)，如果引出电压为30kV，就可以引出60keV和90keV能量级的钛离子束，只要采用高纯材料作阴极材料，离子束的纯度就高。

由于本发明的第一栅与第二栅的距离近(为5～10mm)，第一栅、第二栅、第三栅均较薄(为2～5mm厚)，第一栅、第二栅、第三栅上均设有小而多的引出孔(1300～1800个φ3～5mm的小孔)，因此在引出电压低于20kV甚至在10kV也能引出足够大的束流，本发明注入靶上的平均钛离子束流大于5mA，通过机械扫描，其注入面积达到1810cm²；由于本发明是脉冲形式工作，其弧压电源的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms，频率为5～25Hz，在此特定机制下进行离子注入，注入时间短，注入温度低(低于100℃)，绝对保证被注入工件不会发生任何变形；由于本发明在放电室外周均匀设有4～8个成对的磁柱，所以提高了离子流和弧流之比，即在同样的弧流下可引出的离子束流较大；由于本发明在阳极支架与等离子体室之间、等离子体室外壁设有若干N、S极相间排列四个或四个以上的磁环，所以能形成的离子束均匀度好，提高了工件的处理质量；由于本发明设有与工件靶台相耦合传动的永磁式直流力矩电动机，所以省去了齿轮链和真空室上的动密封，提高了可靠性并降低了整机成本；由于本发明还设有氮气源和质量流量阀，所以可采用金属离子与氮气的混合束注入，省去了分析磁铁及其供电电源；综上多种因素，使整机结构简单、造价低廉、操作容易、使用可靠，应用本发明加工工件成本低。本发明是一种纯净的无污染无公害的工件表面处理机，可广泛应用于工业生产。

                          附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明金属离子源和真空室的结构示意图；

图3是本发明离子源供电系统与金属离子源的连接示意图。

                        具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括金属离子源1、离子源供电系统、真空室2、工件靶台3、电机22、抽真空系统4、冷却系统、氮气源25、质量流量阀26和控制屏。

所述金属离子源1设置于所述真空室2的上部并与所述真空室2相连通。所述金属离子源包括阴极5、阴极支架6、触发电极7、绝缘阴极套8、阳极9、阳极支架10、放电室11、等离子体室12、第一栅13、第二栅14和第三栅15，所述触发电极7由所述绝缘阴极套8隔开设置于所述阴极5外周，所述放电室11上端与所述阴极支架6相连接、下端与所述阳极支架10相连接，所述放电室11外周均匀设有4～8个成对的磁柱16，本实施例的所述放电室11外周均匀设有6个成对的磁柱16，所述等离子体室12上端与所述阳极支架10相连接、下端与所述第一栅13相连接，所述第一栅13、所述第二栅14、所述第三栅15依次由上至下相隔开设置，所述第一栅13与所述第二栅14之间的距离为5～10mm，本实施例的第一栅13与第二栅14之间的距离为7mm，所述第一栅13、所述第二栅14、所述第三栅15的栅板均为2～5mm厚，本实施例的第一栅13、第二栅14、第三栅15的栅板均为3mm厚，所述第一栅13、所述第二栅14、所述第三栅15上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，本实施例的第一栅13、第二栅14、第三栅15上均设有1627个φ4mm的小孔，所述阳极支架10与所述等离子体室12之间、所述等离子体室12外壁设有四个或四个以上N、S极相间排列的磁环17，本实施例的阳极支架10与等离子体室12之间、等离子体室12外壁设有5个N、S极相间排列的磁环17。

本发明冷却系统采用纯水冷却，用缠绕在管架上的细长水管将水源、水泵及金属离子源相连接，不易漏电，增强了安全性同时节省能源。

所述工件靶台3设置于所述真空室2中，所述工件靶台由支柱23和靶盘24组成，所述靶盘24设置于所述支柱23上端并可相对所述支柱23倾斜。所述电机22采用永磁式直流力矩电动机，该电机能经常使用在低速状态，放置于真空室2中与所述支柱23直接耦合传动来带动靶盘24转动，省去了齿轮链和真空室上的动密封，提高了可靠性并降低了整机成本，所述电机22与控制屏通过导线相连接。

所述抽真空系统4分别与真空室2和控制屏相连，采用常规的抽真空系统。

所述质量流量阀26分别通过导管与所述氮气源25和所述真空室2相连通，所述质量流量阀26与所述控制屏相连。

如图3所示，所述离子源供电系统与所述控制屏相连接。所述离子源供电系统由触发电源18、弧压电源19、束流引出电源20和负压电源21组成，所述触发电源18的正极与所述触发电极7相连，所述触发电源18的负极与所述阴极5相连，所述弧压电源19的正极分别与所述阳极9、所述第一栅13及所述束流引出电源20的正极相连，所述弧压电源19的负极与所述阴极5相连，所述负压电源21的正极分别与所述束流引出电源20的负极、所述第三栅15及地面相连，所述负压电源21的负极与所述第二栅14相连。所述弧压电源19的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms、频率为5～25Hz之间可调，本实施例的弧压电源19的脉宽为0.5ms。

Claims (4)

1、一种金属离子注入机，包括金属离子源(1)、离子源供电系统、真空室(2)、工件靶台(3)、抽真空系统(4)、冷却系统和控制屏，所述金属离子源(1)设置于所述真空室(2)的上部并与所述真空室(2)相连通，所述工件靶台(3)设置于所述真空室(2)中，所述冷却系统与所述金属离子源(1)相连接，所述控制屏分别与所述离子源供电系统、所述真空室(2)、所述抽真空系统(4)、所述冷却系统相连接，其特征在于：所述金属离子源(1)包括阴极(5)、阴极支架(6)、触发电极(7)、绝缘阴极套(8)、阳极(9)、阳极支架(10)、放电室(11)、等离子体室(12)、第一栅(13)、第二栅(14)和第三栅(15)，所述触发电极(7)由所述绝缘阴极套(8)隔开设置于所述阴极(5)外周，所述放电室(11)上端与所述阴极支架(6)相连接、下端与所述阳极支架(10)相连接，所述放电室(11)外周均匀设有4～8个成对的磁柱(16)，所述等离子体室(12)上端与所述阳极支架(10)相连接、下端与所述第一栅(13)相连接，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)依次由上至下相隔开设置，所述第一栅(13)与所述第二栅(14)之间的距离为5～10mm，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)的栅板均为2～5mm厚，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，所述阳极支架(10)与所述等离子体室(12)之间、所述等离子体室(12)外壁设有四个或四个以上N、S极相间排列的磁环(17)；所述离子源供电系统由触发电源(18)、弧压电源(19)、束流引出电源(20)和负压电源(21)组成，所述触发电源(18)的正极与所述触发电极(7)相连，所述触发电源(18)的负极与所述阴极(5)相连，所述弧压电源(19)的正极分别与所述阳极(9)、所述第一栅(13)及所述束流引出电源(20)的正极相连，所述弧压电源(19)的负极与所述阴极(5)相连，所述负压电源(21)的正极分别与所述束流引出电源(20)的负极、所述第三栅(15)及地面相连，所述负压电源(21)的负极与所述第二栅(14)相连，所述弧压电源(19)的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms、频率为5～25Hz。

2、根据权利要求1所述的金属离子注入机，其特征在于：所述放电室(11)外周均匀设有6个成对的磁柱(16)，所述第一栅(13)与所述第二栅(14)之间的距离为7mm，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)的栅板均为3mm厚，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)上均设有1627个φ4mm的小孔，所述阳极支架(10)与所述等离子体室(12)之间、所述等离子体室(12)外壁设有5个N、S极相间排列的磁环(17)；所述弧压电源(19)的脉宽为0.5ms。

3、根据权利要求1或2所述的金属离子注入机，其特征在于：它还包括电机(22)，所述电机(22)采用永磁式直流力矩电动机，所述工件靶台(3)由支柱(23)和靶盘(24)组成，所述靶盘(24)设置于所述支柱(23)上端并可相对所述支柱(23)倾斜，所述电机(22)设置于所述真空室(2)内并分别与所述支柱(23)和所述控制屏相连。

4、根据权利要求3所述的金属离子注入机，其特征在于：它还包括氮气源(25)和质量流量阀(26)，所述质量流量阀(26)分别通过导管与所述氮气源(25)和所述真空室(2)相连通，所述质量流量阀(26)与所述控制屏相连。

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