CN209873076U - 一种基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其包括：真空室及与其连接的真空获得装置；工件架；离子氮化偏压电源：其阳极接真空室的室壁、阴极接工件架；还包括了弧光电子源装置：其又包括弧光电子源辅助阳极以及含有电弧靶的弧光电子源主体；弧光电子源主体绝缘地置于真空室室内壁上并配有弧光电子源主体电源，主体电源的阳极接真空室室壁、阴极接弧光电子源主体中的阴极电弧的电弧靶；弧光电子源辅助阳极绝缘置于真空室內靠近弧光电子源主体并配有辅助阳极电源，阳极电源阴极接真空室室壁，阳极与辅助阳极连接。本实用新型提高了氮化效率，缩短了工艺时间，减少传统离子氮化电弧烧伤，减少了能源及气体消耗和污染气体排放。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种离子氮化装置，尤其涉及一种装有弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置。
技术背景
离子氮化是由德国人B.Berghaus于1932年实用新型的。该法是在13.33～1333Pa的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，产生的辉光放电现象便会发出象霓红灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离子化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等在工件表面进行氮化反应。离子氮化法与以往的靠分解氨气或使用氰化物来进行氮化的方法截然不同，作为一种全新的氮化方法，现已被广泛应用于汽车、机械、精密仪器、挤压成型机、模具等许多领域，而且其应用范围仍在日益扩大。
但，传统离子氮化法也存在工艺时间长，能耗高，气体消耗大等缺点，与绿色制造的理念背道而驰。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其有效提高了氮化效率，缩短了工艺时间，提供了减少传统离子氮化电弧烧伤的解决方案，减少了能源及气体消耗和污染气体排放。
解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
一种基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，包括：真空室5及与其连接的真空获得装置；工件架2：设于真空室的内腔用于承载氮化产品；离子氮化偏压电源3：阳极接真空室5的室壁，阴极接工件架2；其特征是还包括弧光电子源装置；所述的弧光电子源装置又包括弧光电子源辅助阳极7以及含有电弧靶的弧光电子源主体1；所述的弧光电子源主体1绝缘地置于真空室室内壁上并配有弧光电子源主体电源4，主体电源4的阳极接真空室室壁、阴极接弧光电子源主体1中的阴极电弧的电弧靶上；所述的弧光电子源辅助阳极7绝缘置于真空室內靠近弧光电子源主体并配有辅助阳极电源6，阳极电源6阴极接真空室室壁，阳极与辅助阳极7连接。
所述的弧光电子源主体中的阴极电弧的电弧靶的靶前方设有挡板。
所述的离子氮化偏压电源3为物理气相沉积技术中的高精度脉冲偏压电源，20-1200V可调，10-100KHZ，1-10us。利用脉冲放电的特性，提高抑弧能力，减少狭缝零部件空心阴极放电现象。
所述的真空获得装置为：依次连接的高阀13、分子泵或扩散泵8、前级阀12、罗茨泵9和机械泵10，高阀连通所述真空室、机械泵连通大气，同时在真空室与前级阀和罗茨泵之间的管道上还设有接有粗抽阀11的旁路。
所述的机械泵、扩散泵或分子泵极限真空优于5*10-4Pa，本底真空优于3*10-3Pa。更高的本底真空，可以减少腔室内的残余气体，减少氮化时打弧现象的产生，提高的工作真空0.05-5Pa(传统离子氮化13.33-1333Pa)，可以提高离子的平均自由程，获得更高的离子能量；
所述的真空室的内腔为U型或者圆形真空腔，直径600-2000mm，高度不超过1200mm。
在上述基础上，高真空离子氮化装置还包括：
加热器：设在真空室的腔内的PVD用U型或者铠装加热器(未画出)，最高加热温度600℃。
供气系统及其控制装置：气体采用高纯的氩气(或者氩气和氢气的混合气体)和氮气，控制装置为1个氩气流量计(100-1000sccm)和1个氮气流量计(100-1000sccm)，控制装置有管道与气源以及炉腔内连接。(流量计在设备控制仪表柜上末画出)
真空测量系统：设有与真空室连通的真空测量规管和装在控制柜上的真空仪测量仪表(未画出)。
所述的弧光电子源为5-10kw弧光电子源，其工作原理：利用阴极电弧弧光放电产生弧光等离子体，再利用在其近旁的辅助阳极拉引出弧光等离子体中的电子流，与炉內辉光放电的等离子体相互碰撞和能量交換，增强辉光放电等离子体的离化率、能量和浓度，提高了等离子体反应活性。利用弧光电子源辅助增加輝光等离子体进行离子氮化，与传统离子氮化工艺比较，(1)可降低离子氮化时工作电压，离子氮化电压可以控制在300V以内(传统离子氮化偏压高于600v)，避免了高电压放电效应，辉光放电更稳定，减少打弧烧伤工件，同时降低了能耗。(2)增強氩和氮輝光放电等离子体，使等离子体可以稳定工作在较高的真空0.05-1Pa(传统工艺炉內气压力50Pa)，在同等条件下更高的真空，等离子体的能量更强，可以提高氮化的速度，减少能耗。(3)增强氮等离子体反应活性，提高氮化效率，缩短氮化时间。(4)氮化过程不需要氢气参与，提高了工
作环境的安全性和减少了企业的相关投入，降低了氮化成本。
有益效果：：
1利用弧光放电引出强大高能电子流增强离子氮化时氩辉光放电等离子体，使氩等离子体可以在较高的真空(0.1-1Pa)稳定工作；
2利用弧光放电引出强大高能电子流增强离子氮化时氩、氮辉光放电等离子体，其等离子体离化率更高、能量更高、浓度更高；
3利用弧光放电引出强大高能电子流增强离子氮化时氩、氮辉光放电等离子体，因为放电空间引入大量电子，故产生氩、氮辉光放电所需负偏压值可以大大降低，有利于降低工件打火的风险；
4利用弧光放电引出强大高能电子流增强离子氮化时氩、氮辉光放电等离子体，弧光电子源的电子流強度可调，即增强氩、氮辉光放电等离子体的效应强弱可控；
5弧光电子源增强辉光放电氩等离子体，刻蚀活化工件表面更干净、更彻底、更有效；
6利用弧光放电引出强大高能电子流增强离子氮化时氩、氮辉光放电等离子体，反应活性更高，氮化效率高，氮化时间缩短。用气量少，节能減排。可以不用氢参与氮化过程，更安全。
附图说明
图1为本实用新型的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置实施例示意图。
图中附图标记指代：
1-弧光电子源主体；
2-工件架；
3-偏压电源；
4-弧光电子源的主体电源；
5-真空室(阳极，接地)；
6-弧光电子源的辅助阳极电源；
7-弧光电子源辅助阳极；
8-分子泵/扩散泵；
9-罗茨泵；
10-机械泵；
11-粗抽阀；
12-前级阀；
13-高阀。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置实施例，包括：真空室5及与其连接的真空获得装置；工件架2：设于真空室的内腔用于承载氮化产品；离子氮化偏压电源3：阳极接真空室5的室壁(接地)，阴极接工件架2。此外还包括：弧光电子源装置。
所述的弧光电子源装置又包括弧光电子源辅助阳极7以及含有电弧靶的弧光电子源主体1；所述的弧光电子源主体1绝缘地置于真空室室内壁上并配有弧光电子源主体电源4，主体电源4的阳极接真空室室壁、阴极接弧光电子源主体1中的阴极电弧的电弧靶上；所述的弧光电子源辅助阳极7绝缘置于真空室內靠近弧光电子源主体并配有辅助阳极电源6，阳极电源6阴极接真空室室壁，阳极与辅助阳极7连接。
所述的弧光电子源主体中的阴极电弧的电弧靶的靶前方设有挡板。
所述的离子氮化偏压电源3为物理气相沉积技术中的高精度脉冲偏压电源，20-1200V可调，10-100KHZ，1-10us。利用脉冲放电的特性，提高抑弧能力，减少狭缝零部件空心阴极放电现象。
所述的真空获得装置为：依次连接的高阀13、分子泵或扩散泵8、前级阀12、罗茨泵9和机械泵10，高阀连通所述真空室，而机械泵连通大气，同时在真空室与前级阀和罗茨泵之间的管道上还设有接有粗抽阀11的旁路。
所述的机械泵、扩散泵或分子泵极限真空优于5*10-4Pa，本底真空优于3*10-3Pa；所述的真空室的内腔为U型或者圆形真空腔，直径600-2000mm，高度不超过1200mm；
加热器：用U型或者铠装加热器，最高加热温度600℃；一般装在靠近炉内壁，也有装在炉中央的(未画出)；
供气系统及其控制装置：气体采用高纯的氩气(或者氩气和氢气的混合气体)和氮气，控制装置为1个氩气流量计(100-1000sccm)和1个氮气流量计(100-1000sccm)；气体流量计装在控制柜上，有管道连接气源，另有输出管道连接炉腔进气口，送入炉内(未画出)；
真空测量系统：由真空测量规管和真空测量仪组成，真空测量规管与真空室连通，真空测量仪装在控制柜上，两者用导线连接(末画出)；
进一步说明所述的弧光电子源：它是专门研发的产生強大电子流的装置，采用5-10kw直流电源激励弧光电子源主体中的阴极电弧的电弧靶放电产生弧光等离子体，同时利用专用直流电源(5kw)连接弧光电子源辅助阳极，以拉出弧光等离子体中的电子流，用于增强炉内辉光放电氩、氮等离子体。在弧光电子源辅助作用下，离子氮化时可提高工作真空度和降低工作电压，可在较高的真空(0.1-1Pa)稳定工作，且离子氮化电压可以控制在300V以内，避免了高电压放电效应，减少打弧现象，同时降低了能耗，提高了离子氮化活性，缩短氮化周期，提高了效率。
Claims (9)
1.一种基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，包括：真空室(5)及与其连接的真空获得装置；工件架(2)：设于真空室的内腔用于承载氮化产品；离子氮化偏压电源(3)：其阳极接真空室(5)的室壁、阴极接工件架(2)；其特征是：还包括弧光电子源装置，所述的弧光电子源装置又包括弧光电子源辅助阳极(7)以及含有电弧靶的弧光电子源主体(1)；所述的弧光电子源主体(1)绝缘地置于真空室室内壁上并配有弧光电子源主体电源(4)，主体电源(4)的阳极接真空室室壁、阴极接弧光电子源主体(1)中的阴极电弧的电弧靶上；所述的弧光电子源辅助阳极(7)绝缘置于真空室內靠近弧光电子源主体并配有辅助阳极电源(6)，阳极电源(6)阴极接真空室室壁，阳极与辅助阳极(7)连接。
2.根据权利要求1所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：所述的弧光电子源主体中的阴极电弧的电弧靶的靶前方设有挡板。
3.根据权利要求2所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：所述的离子氮化偏压电源(3)为高精度脉冲偏压电源，20-1200V可调，10-100KHZ，1-10us。
4.根据权利要求3所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：所述的真空获得装置为：依次连接的高阀(13)、分子泵或扩散泵(8)、前级阀(12)、罗茨泵(9)和机械泵(10)，高阀连通所述真空室，而机械泵连通大气，同时在真空室与前级阀和罗茨泵之间的管道上还设有接有粗抽阀(11)的旁路。
5.根据权利要求4所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：所述的机械泵、扩散泵或分子泵极限真空优于5*10-4Pa，本底真空优于3*10-3Pa。
6.根据权利要求5所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：所述的真空室的内腔为U型或者圆形真空腔，直径600-2000mm，高度不超过1200mm。
7.根据权利要求6所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：还设有加热器：设在真空室的腔内的PVD用U型或者铠装加热器，最高加热温度600℃。
8.根据权利要求7所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：还设有供气系统及其控制装置：气体采用高纯的氩气和氮气，控制装置为1个氩气流量计和1个氮气流量计，控制装置有管道与气源以及炉腔进气口连接。
9.根据权利要求8所述的基于弧光电子源辅助的高真空离子氮化装置，其特征是：还设有真空测量系统：包括与真空室连通的真空测量规管和真空测量仪表。
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| CN114807837A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-29 | 松山湖材料实验室 | 一种表面处理设备 |
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| CN114481009B (zh) * | 2022-02-14 | 2024-04-30 | 四川中科海科技有限责任公司 | 一种阳极高压低温氮化装置 |
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