CN1390975A - 离子束增强弧辉渗镀涂层装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明离子束增强弧辉渗镀涂层装置及工艺属于金属材料表面改性的范畴，其特征是在加弧辉光离子渗镀装置中，加入一个中低能束离子源，利用真空电弧原理从金属阴极电弧源发射出的金属离子流，快速沉积于利用辉光加热的工件表面，然后由中低能离子束注入碳或氮，使其沉积层与工件基体形成扩散层和镀层，把多弧离子镀沉积速度快和离子束注入反冲形成伪扩散层有机结合起来，在较低温度的工件表面快速形成金属碳、氮化合物硬层涂层。
Description
一、技术领域
本发明离子束增强弧辉渗镀涂层装置及工艺属于金属材料表面改性的范畴。是把多弧离子镀沉积速度快和离子束注入反冲形成伪扩散层的优点有机的结合起来，实现金属工件表面快速渗镀金属碳、氮化合物硬质涂层的工艺及装置。
二、背景技术
九十年代，表面改性技术发展的趋势是复合处理即渗和镀，注和镀以及涂或镀加以激光处理等，其中离子束增强沉积技术(IBED)属于注和镀的复合，由于沉积温度低镀层致密以及结合强度高，近年来受到学术界高度重视。离子注入特征是用单一离子注入基片，提高注入能量，可获得较好的注入效果，但注入改性层很薄。为了克服改性层薄的缺点，也侧重于提高注入能量，常规的I2注入法和现今发展的PI3注入法能量多为100kev以上。
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。本发明就是在同一真空容器内设置中低能、大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、大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，不仅提高扩散层(共混层)深度，使涂层的结合强度和涂层质量提高，而且沉积速率大大加速，渗镀速度快，生产成本低，可扩大使用范围。
三、发明内容
离子束增强弧辉渗镀涂层装置的结构是，在可抽取真空，极限真空度为1×10-3～5×10-3Pa，并能充入气体介质，工作气体为2×10-2～8×10-1Pa的真空容器18内，设置可以转动的阴极系统，阴极电弧源系统，中低能离子源系统，同时配备有抽气、供气、测温系统，其阴极转动系统由被处理工件14、辅助源极11、阴极托盘10和转动机构7组成，阴极电弧源系统由阴极电弧源3、引弧钩2、电弧电源4组成，送气系统是由供气瓶15和送气口16组成，测温系统是由测温仪13和观察孔12组成，抽气系统由机械泵9和扩散泵8组成，工件14和辅助源极11置于阴极托盘10上，阴极电弧源3和引弧钩2置于钟罩壁1上，中低能离子17置于钟罩壁1的顶部，在阳极钟罩1和阴极电弧源3之间连接一连续可调0～100V、0～300A的直流电源4，在阳极钟罩1和阴极托盘10、辅助源极11之间分别连接一个可调的0～1000V的直流电源6、5，其特征在于，其一阴极电弧源的靶材是由欲渗镀的金属和合金制成圆柱形，直径和厚度为φ50～80×35～60mm，也可以是方形，由直流电源4供给20～22V电压，60～150A的电流后，引燃电弧可发射出高能量、高密度、高离化率的离子流，在工件负偏压电源6加入200～300V电压后，在工件表面快速形成了欲渗镀金属和合金的渗镀层，其二在距工件10～30mm的距离处设置辅助源极11，其形状为金属丝网，材料为与阴极电弧源的材质相同，在引燃电弧前，由送气系统15通入Ar气，分压在1～20Pa，接通辅助源极电源5，加入400～700V电压，利用辉光放电溅射原理给工件14进行予等离子清洗，并使其升温到200～700℃，其目的是为离子源注入N进行离子轰击时，由于基体工件温度较高，可使扩散层增加，辅助源极既是升温源，又是金属合金元素辅助供给源。
其三，在钟罩1的顶部安装有中低能3～50kev、大束流10～200mA的离子源17，在阴极电弧源镀金属或合金的涂层时，同时注入N，由于工件温度较高，可在工件表面形成有一定扩散层的金属氮化物硬质涂层。
其四，在由阴极电弧源3渗镀金属和合金的同时，由离子源17通入碳氢气注入碳，可在工件表面渗镀金属或合金的碳化物涂层，若同时由离子源注入碳和氮还可以在工件表面渗镀金属碳、氮化合物层。欲渗工件14渗镀金属碳、氮化合物时的温度为200～700℃，弧源电压20～22V，电流50～150A，离子束能量5～40kev，束流密度10～150mA，工作气压为2×10-2～8×10-1Pa，工件14偏压200～500V，辅助源极电压400～700V。
附图说明
附图为离子束增强弧辉渗镀涂层装置及工艺示意图图中的标号为：1.钟罩(共阳极) 2.引弧钩 3.阴极电弧源4.电弧电源 5.辅助源极电源 6.工件偏压电源7.转动机构 8.扩散泵 9.机械泵10.阴极托盘 11.辅助源极 12.观察(测温)孔13.测温仪 14.被处理工件 15.送气瓶16.进气口 17.离子源 18.真空容器
五、具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体工作过程，进行渗镀金属氮化物涂层时，首先由抽气系统的机械泵9和扩散泵8将真空容器抽到极限真空度1×10-3～5×10-3Pa，由供气系统15充入Ar气，分压在1Pa～20Pa，由电源5供给辅助源极11电压400～700V，由电源6供给工件偏压电源200～500V，对被处理工件进行离子清洗和予升温，使工件加热到200～700℃，而后再抽真空到2×10-2～8×10-1Pa，此时给阴极电弧源3供电20～22V、60～150A，由阴极电弧源发射出高能量、高离化率的金属、合金的金属离子流，在工件14负偏压(200～500V)吸引下，高速到达工件表面形成金属和合金镀层，镀的同时打开离子源17，由离子源注入工件表面氮，离子源能量5～40kev，束流10～150mA，渗镀工件表面的金属离子、原子，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：
工件温度400～500℃，处理时间30分钟，渗镀层厚度可达3～5μm，伪扩散层厚度可达0.5～1μm。
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 (6)
1.一种离子束增强弧辉渗镀涂层装置其特征在于，是在极限真空度1×10-3～5×10-3Pa并能充入气体介质的真空容器(18)内，设置阴极转动系统，阴极电弧源系统，中低能离子源系统，同时配备有抽气、供气、测温系统，其阴极转动系统由被处理工件(14)、辅助源极(11)、阴极托盘(10)和转动机构(7)组成，阴极电弧源系统由阴极电弧源(3)、引弧钩(2)和电弧电源(4)组成，送气系统是由供气瓶(15)和送气口(16)组成，测温系统是由测温仪(13)和观察孔(12)组成，抽气系统由机械泵(9)和扩散泵(8)组成，工件(14)和辅助源极(11)置于阴极托盘(10)上，阴极电弧源(3)和引弧钩(2)置于真空钟罩壁(1)上，正对于工件(14)，中低能离子源(17)置于钟罩壁(1)的顶部，在阳极钟罩(1)和阴极电弧源(3)之间连接一连续可调0～100V、0～300A的直流电源(4)，在阳极钟罩(1)和阴极托盘(10)之间连接一个可调的0～1000V的直流负偏电源(6)，在阳极钟罩(1)和辅助源极(11)之间连接一个可调的0～1000V的直流电源(5)，其阴极电弧源(3)的电弧靶材由欲渗镀的金属和合金制成，形状为圆柱形等，直径和厚度为φ50～80×35～60mm，其工件(14)周围设置的辅助源极(11)为金属丝网，与工件保持一定距离，其钟罩(1)顶部安放的离子源(17)为中低能，大束流离子源。
2.按照权利要求1所述的一种离子束增强弧辉渗镀涂层装置，其特征在于构成阴极电弧源(3)的材质是由任何可以导电的金属和合金制成，形状可以为圆形，也可以是方形，尺寸为200×400mm。
3.按照权利要求1所述的一种离子束增强弧辉渗镀涂层装置其特征在于辅助源极11是由同阴极电弧源靶材同质的金属丝网制成，与工件14保持10～30mm距离。
4.按照权利要求1所述的一种离子束增强弧辉渗镀涂层装置其特征在于，离子源17的能量为中低能3～50KeV，大束流为10～200mA。
5.采用权利要求1所述的一种离子束增强弧辉渗镀涂层装置的工艺，其特征在于，首先由抽气系统的机械泵(9)和扩散泵(8)将真空容器抽到极限真空度1×10-3～5×10-3Pa，由供气系统(15)充入Ar气，分压在1Pa～20Pa，由电源(5)供给辅助源极(11)电压400～700V，由电源(6)供给工件偏压电源200～500V，对被处理工件进行离子清洗和予升温，使工件加热到200～700℃，而后再抽真空到2×10-2～8×10-1Pa，此时给阴极电弧源(3)供电20～22V、60～150A，由阴极电弧源发射出高能量、高离化率的金属、合金的金属离子流，在工件(14)负偏压(200～500V)吸引下，高速到达工件表面形成金属和合金镀层，镀的同时打开离子源(17)，由离子源注入工件表面氮，离子源能量5～40kev，束流10～150mA，工件温度400～500℃，处理时间30分钟，渗镀层厚度可达3～5μm，伪扩散层厚度可达0.5～1μm。钟罩(1)上设置金属阴极电弧源(3)渗镀金属和合金的同时，由离子源(17)注入氮可在工件(14)表面渗镀金属氮化物，若由离子源注入碳可渗镀金属碳化物硬质涂层，若同时由离子源注入碳、氮可在工件表面渗镀金属碳、氮化合物层，真空容器(18)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2×10-2～8×10-1Pa。
6.按照权利要求5所述的一种离子束增强弧辉渗镀涂层工艺其特征在于所述欲渗工件(14)渗镀金属氮、碳化合物硬质涂层的温度为200～700℃，弧源电流为50～150A，离子束能量5～40KeV，束流密度为10～150mA，工作气压为2×10-2～8×10-1Pa。工件偏压200～500V，辅助源极电压400～700V。
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