[发明专利]用宽束N离子对硬质合金刀具表面处理的方法及其装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种硬质合金刀具表面处理的方法，尤指一种用宽束N离子离子注入工艺处理硬质合金刀具表面使其表面改性的方法，同时，还涉及一种该方法使用的装置。

背景技术：

目前，材料表面改性的方法对于硬质合金刀具来说，一般采用表面涂层方法，即化学气相沉积涂层方法(CVD方法)和物理气相沉积涂层方法(PVD方法)。上述表面涂层方法虽可改变硬质合金刀具的表面特性，提高其使用寿命，但是，上述方法存在两个方面的不足：一方面，涂层材料与硬质合金刀具基体材料表面的结合力不够，容易引起剥离；另一方面，表面涂层具有一定的厚度，易改变工具的几何尺寸。

发明内容：

本发明所解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种用宽束N离子对硬质合金刀具表面处理的方法及装置，来提高硬质合金刀具的硬度、抗磨损特性等，达到改善刀具的切割特性，从而可提高硬质合金刀具的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：用宽束氮离子对硬质合金刀具表面处理的方法，采用离子注入机进行宽束N离子注入对硬质合金刀具表面进行处理，将前处理过的硬质合金刀具置于靶盘上，加工面朝上，注入宽束N离子，工件靶台转速为5～20转/分钟，靶盘转速为5～20转/分钟；N离子能量为40～120KeV，束流为5～20mA，氮气质量流量3～6Sccm；注入时间为30-60分钟，注入剂量(1～4)×10¹⁷/cm²，其工艺参数：真空系统真空度为1.5×10^-2pa～4×10^-3pa；N离子源的阳极电压20∽200KV。

所述硬质合金刀具的前处理步骤为：1)、清洗：将未处理的硬质合金刀具清洗10～15分钟；2)、风干：将清洗后的硬质合金刀具进行自然风干；3)、烘干：将洗净风干后的硬质合金刀具于40～50℃下烘干20～30分钟。

上述清洗步骤采用装有浓度为20-60％丙酮的超声波清洗机。而现有技术中的表面涂层的前处理分为净化处理和粗化处理两部分，其中净化处理有溶济清冼、碱液清冼、加热脱脂、喷沙净化等，常用的粗化方法有：喷沙、电拉毛、机械加工等。而本申请的上述前处理实际上相当于现有技术中前处理的净化处理部分，省掉了粗化处理两部分。

上述处理方法使用的装置，包括离子注入机，该离子注入机包括真空室、设有靶盘的工件靶台，工件靶台位于真空室中心上方的水平面上，所述真空室上设有法兰，法兰内设有由氮气转变成的氮离子源，该真空室下方设有转动系统，转动系统穿过真空室与工件靶台中心相连接，所述工件靶台为圆形，靶盘为圆盘，以环状均匀分布于靶台的周边，工件靶台及靶盘随转动系统的转动而转动。

上述转动系统包括第一电机、第二电机、以及由第一电机带动的中空的第一转动轴、由第二电机带动的第二转动轴、连接件、真空密封件，该真空密封件与真空室相连接，第一转动轴间采用连接件相连接，且第一转动轴穿过真空密封件及真空室与工件靶台底部中心相连接；第二转动轴设置于第一转动轴内，且前端穿出工件靶台中心与齿盘中心相连接，齿盘外周缘均设有齿条，所述靶盘通过第三转动轴设于工件靶台上，该靶盘底座上设有与齿盘的齿条相啮合的齿条。

上述法兰为4个，其中的两个法兰垂直对称设置于真空室的前方，另两个法兰对称斜设于真空室的后方。上述工件靶台最好位于真空室中心上方35mm的水平面上。上述靶盘以环状均设于工件靶台的周边，其尺寸及数量与离子束的束斑尺寸相关(靶盘尺寸等于或略小于离子束的束斑尺寸，使束斑能覆盖整个靶盘，靶盘数量取环状分布能容纳的数量的最大值)，一般为12个。

通常，离子注入机使用N离子源多应用于半导体加工领域，而且束流都很窄，在材料改性领域大多使用金属离子源。本申请中采用宽束N离子源是离子注入机应用于材料改性领域的一大改进；为了提高加工效率，使该离子注入机能适应批量加工需要，特别设计了一机四个法兰以及活动工件靶台。

宽束N离子对硬质合金刀具进行表面处理的机理：采用宽束N离子材料改性离子注入机，来对硬质合金刀具进行离子注入表面处理。通过将一定剂量和能量的宽束N离子注入到硬质合金刀具表面，N离子束与硬质合金材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学变化，形成一些氮的化合物，随氮离子浓度的不同，形成的氮化物也不同，这些氮化物的生成改变了基体材料的晶格常数、提高了热稳定性，入射的N离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成份、结构和性能发生变化。