[发明专利]离子束增强弧辉渗镀涂层装置及工艺

说明书

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。