[发明专利]弧源-多离子束材料表面改性技术

说明书

本发明属于材料表面改性方法，特别适用于金属材料表面改性，简称Arc-MIB技术。

在现有的技术中，材料表面改性方法通常采用离子镀、离子束混合、离子注入等技术，但由于改性层薄，沉积速率低，与基体间过渡层窄，因此使用范围受到限制，且设备造价高，用户投资大。

本发明的目的是提供一种弧源-多离子束材料表面改性技术，这种技术可使改性层与基体间没有明显界面，有较宽的过渡层（2～4μm），附着性好，提高抗冲击载荷及抗疲劳能力;离化效果好，沉积速率快，可形成单层或多层的薄膜材料;一台设备上可以完成装饰离子镀、功能涂层离子镀、离子束混合、离子注入等项功能。使应用范围扩大，设备造价降低。

本发明的具体内容如下：

本发明的原理：

真空室（1）内工件（5）放在工作台（3）需转动和水冷，从弧源（2）喷射出金属原子如Ti、Cr、Zr、Nb……可用Me表示，沉积到工件（5）表面上，与通入真空室（1）内反应气体如N₂、CH₄……离子化后的离子如N⁺、C⁺……用A⁺表示相互作用形成TiN、TiC、TiO₂、ZrN、BN等用MeA表示。在沉积过程中，工件（5）加上负高压电。可以在工件表面形成装饰离子镀涂层如金黄色TiN、银白色TiC等，或功能性离子镀涂层如超硬TiN、TiC、BN等。

当离子束溅射源（6）通入氩气（Ar），形成氩离子束（ΣAr⁺）射到靶台（8）上，从靶材（7）上溅射金属原子束如Ti、Cr、Nb等沉积到工件（5）表面上，同时，离子束注入源（9）通入气体如N₂、CH₄、O₂等离子化后射出离子束如N⁺、C⁺、O⁺等用A⁺表示，同步射到工件表面上，进行沉积和注入并相互作用，在工件次表层，表层形成具有超硬或其他功能的金属间化合物。

弧源（2）、离子束溅射源（6）可以同时工作，更多提供沉积金属原子提高沉积形膜速率进行离子束混合。

离子束注入源（9）通入N₂、CH₄、O₂等经离子化成各类离子束如N⁺、C⁺、O⁺等注入到工件（5）表面进行材料表面改性，提高材料的耐磨性及耐蚀性等。

工件（5）带负高压电（4）金属原子离化率提高（DCⅠ工作），进一步吸引从离子束注入源（9）射出的离子束，完成全方位注入，提高沉积涂层的绕镀性（DCⅡ工作）。

本发明的工艺过程

1.工件（5）表面须严格超声波清洗，去油污除水，装进真空室（1）内，抽真空，真空度达到10^-4pa。

2.溅射清洗，真空室（1）通入氩气（Ar），真空度降至5pa-10^-1pa，工件（5）加上负高压电-1000～-3000V，溅射清洗时间15～20min;再抽真空，真空度达到10^-4pa。

3.装饰离子镀

（1）.真空室（1）通入氩气（Ar）及氮气（N₂）真空度降至2.5～4pa;

（2）.弧源（2）通电工作，弧源（2）电流40-60A;工件（5）加负电压500-150V，工件（5）温度可达250℃，沉积时间1～2小时;

（3）.工件（5）表面沉积TiN呈金黄色，TiC呈银白色。

4.功能涂层离子镀

（1）.真空室（1）通入氩气（Ar）氮气（N₂）真空度降至2.5～4pa;

（2）.弧源（2）通电工作，弧源（2）电流40-60A;工件（5）加负电压500-150V，工件（5）温度可达400℃，沉积时间1～2小时;

（3）.工件（5）表面沉积TiN其硬度为Hv1800～2400，TiC其硬度Hv2800～3400。

5.离子束混合

（1）.真空室（1）抽真空，真空度达到10^-4pa;

（2）.离子束注入源（9）工作通入氮气（N₂），真空度降至（1～6）×10^-3pa;