專利名稱：單mevva離子源滲注鍍復合處理工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料表面改性處理工藝，特別是一種單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝。
背景技術：
強流MEVVA源離子注入技術自上世紀末被發(fā)明以來在提高金屬工件表面硬度方面得到了廣泛的應用，但單金屬離子注入對提高表面硬度效果極其有限，所以大多須與氣體源聯(lián)合使用或金屬元素和C元素共同注入，以期在注入層內得到TiC的析出相，前者使設備造價增加、系統(tǒng)性下降；后者的缺點一是石墨很難穩(wěn)定工作且離子束流很小，通常很短時間，如數(shù)分鐘就難以引弧，另一缺點是單源分別注入金屬和石墨需時長，功效不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，要解決的技術問題是提高離子注入效率。
本發(fā)明采用以下技術方案一種單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，包括以下步驟(1)將工件裝上工件架后，真空爐體內抽真空至真空度在5×10-3Pa以上；(2)向真空爐體內充入氣體使其真空度降至1.0×10-2至7.0×10-2Pa之間；(3)開啟離子源，調節(jié)充入氣體，使真空度保持在金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程為離子源到工件距離的1/10至1/2；(4)達到離子1.5×1017ions/cm2至3.5×1017ions/cm2的注入劑量后，關離子源。
本發(fā)明的工藝向真空爐體內充入氣體前，對工件進行加熱，控制溫度在室溫至400度之間。
本發(fā)明的離子源是鈦、鎢或鉬金屬源。
本發(fā)明向真空爐體內充入的氣體是氮氣N2、空氣、含碳氣體或含硫氣體。
本發(fā)明的工藝向真空爐體內充入氣體前，可先注入金屬離子。
本發(fā)明開啟離子源后充入的氣體是一種以上。
本發(fā)明充入氣體是順序或交替充入。
本發(fā)明調節(jié)充入氣體時，可交替變化真空度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，在普通的金屬蒸汽真空弧離子源MEVVA離子注入機內充入氣體，保持真空度在1.0至7×10-2Pa之間，調節(jié)充入氣體可實現(xiàn)多元共注，即同時、相繼或交替實現(xiàn)離子注入和表面鍍膜，提高了工件注入層表面性能、功效和工藝穩(wěn)定性，適用于需要提高表面硬度、耐腐蝕性或其他性能的工件。


圖1是本發(fā)明單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝實施例所使用設備的結構示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例注鈦通氮條件下計算的平均自由程曲線圖。
圖3是本發(fā)明實施例在不同氮分壓下表面層硬度隨注入劑量的變化關系圖。
圖4是本發(fā)明實施例在不同真空度時氮的XPS譜及Gauss擬合情況變化關系圖。
圖5是本發(fā)明實施例在低真空時D2鋼注Ti通N的表面AES譜象圖。
圖6是本發(fā)明實施例離子流密度及表面硬度隨氮分壓的變化關系圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝所使用的設備，包括真空爐體1，真空爐體1上方的離子源2和位于真空室內下面的工件架4，離子源2和工件架4之間的距離為0.5至1.3米，連接在真空爐體1的真空獲得系統(tǒng)5，真空爐體1上設置有氣體引入裝置7，氣體引入裝置7帶有流量調節(jié)裝置和控制裝置，氣體入口靠近注入面。真空爐體1內還設有加熱裝置3，以及控制溫度的加熱控制裝置6、溫度測量裝置。
本發(fā)明的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝包括以下步驟(1)將工件裝上工件架4后，真空爐體1內抽真空至真空度在5×10-3Pa以上；(2)打開加熱源，對工件進行加熱，控制溫度在室溫至400度之間；(3)向真空爐體1內充入氮氣N2、空氣、含碳氣體或含硫氣體，使其真空度降至1.0至7×10-2Pa之間；(4)開啟鈦、鎢或鉬金屬離子源，調節(jié)流量調節(jié)裝置，控制充入氣體，使真空度保持在一定范圍內，使金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程為離子源到處理工件距離的1/10至1/2；(5)達到離子1.5×1017ions/cm2至3.5×1017ions/cm2的注入劑量后關氣體、離子源和加熱源。
實施例一、將718鋼工件裝上工件架后，真空爐體內抽真空至真空度在5×10-3Pa以上，打開加熱源，控制工件溫度250℃，打開流量調節(jié)裝置，向真空爐體內充入氮氣N2，使其真空度降到3.5×10-2Pa，開啟鈦金屬離子源，加速電壓45KV，束流密度20μA/cm2，期間調節(jié)流量調節(jié)裝置，控制充入氣體，使真空度保持金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程為離子源到處理工件距離的1/2，當注入離子總劑量達到3.5×1017ions/cm2時，關離子源和加熱源?？稍诠ぜ砻娴玫接捕葹?20HV0.25kg的表面層，用于鏡面塑料模具，與未進行表面處理前相比，壽命提高20倍。
實施例二、將D2鋼工件裝上工件架后，真空爐體內抽真空至真空度在5×10-3Pa以上，打開流量調節(jié)裝置，向真空爐體內充入氮氣N2，使真空度降到7×10-2Pa，開啟鈦金屬離子源，加速電壓45KV，束流密度20μA/cm2，期間調節(jié)流量調節(jié)裝置，控制充入氣體，使真空度保持金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程為離子源到處理工件距離的1/4，當注入離子總劑量達到1.5×1017ions/cm2時，關離子源。在工件表面得到淡黃色的表面層，用于裁紙模具，與未進行表面處理前相比，壽命提高1倍，且在大氣條件下，模具表面耐腐蝕能力大大提高，即使在大氣環(huán)境工作數(shù)月，也不會產生明顯的銹蝕污染紙表面。
實施例三、將高速鋼工件裝上工件架后，真空爐體內抽真空至真空度在5×10-3Pa以上，打開加熱源，控制工件溫度400℃，開啟鈦金屬離子源，注入鈦離子1×1017ions/cm2后，打開流量調節(jié)裝置，向真空爐體內充入氮氣N2，使真空度降到3.0×10-2Pa，調節(jié)流量調節(jié)裝置，控制充入氣體，使真空度保持金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程為離子源到處理工件距離的1/2，當注入離子總劑量3×1017ions/cm2時，關離子源和加熱源?？稍诒砻娴玫接捕葹?050HV0.25kg的表面層，用于不銹鋼沖裁模具，壽命提高10倍。
對普通工模具，可在單MEVVA源離子注入機上進行多元離子注入處理，避免了單金屬離子注入的硬度升高極為有限甚至下降的缺點，在表面得到了高硬度的注入層。也可向真空室內通入更多的氣體，進一步降低真空度，進行表面注鍍復合處理，得到了硬度高于通常離子注入，摩擦系數(shù)低于通常離子注入工藝的表面復合處理層，經分析，該復合層內層為離子注入層，最表面為TiN層，其間具有過渡層。該復合表面層相對于離子鍍涂層而言，具有組織致密、結合牢固、無液滴，應用于生產實驗，使工模具的使用壽命相對于離子注入進一步提高。在表面處理過程中，交替變化真空度，反復在高真空度下注入，低真空度下鍍膜，得到離子束混合的表面沉積層?？梢栽谔幚磉^程中改變氣體種類，得到多種表面層。如先在表面形成超硬膜，后在表面形成低摩擦系數(shù)膜或耐腐蝕性膜。
本發(fā)明是在普通的MEVVA源離子注入機上增加氣體引入和流量控制系統(tǒng)以及溫度測量與控制系統(tǒng)，在通常的離子注入過程中，將注入室的真空度從通常的≤5×10-3Pa提高到1.0×10-2至2.0×10-2Pa，具體的真空度由注入室的結構參數(shù)而定，真空度的選擇原則是降低真空度，使得注入離子與通入氣體原子的平均自由程小于離子源到注入工件的距離，這樣，離子在從離子源到工件表面的過程中與氣體粒子碰撞，使氣體粒子得到能量和電荷，實現(xiàn)單MEVVA源離子注入機上稍加改造后，金屬離子和氣體離子同時注入或在表面形成鍍層，或注入層和鍍層在空間上復合得到復合層。根據(jù)基體材料的情況，適當提高溫度，利用增強擴散效應，進一步提高表面層深度和表面層硬度。彌補了單MEVVA源注入機的不足，擴大了MEVVA源注入機的試用范圍。
本發(fā)明為一種材料表面改性處理工藝。在通常的金屬真空電弧離子源MEVVA離子注入設備上增加氣體引入和流量控制系統(tǒng)以及溫度測量與控制系統(tǒng)構成本發(fā)明基本的硬件設備。充入氣體，使真空室內的氣壓增加到金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程小于離子源到處理工件的距離，為該距離的1/10-1/2。自由程數(shù)據(jù)小時可在表面形成鍍膜層，自由程數(shù)據(jù)大時可在表面形成注入層或注鍍復合層。對于一般離子源和工件之間的距離為0.5至1.3m，氣壓大約在1.0×10-2至7.0×10-2Pa。其他注入參數(shù)與普通MEVVA源離子注入相同，金屬離子可以是任何可以通過MEVVA源注入的元素，實際可根據(jù)基材和表面改性的目的而定。引入的氣體理論上可以為任何一種或多種氣體，為提高表面性能，一般為含容易與注入的金屬源離子形成高硬度化合物或低摩擦系數(shù)產物的元素，如選擇鈦金屬源，可優(yōu)先通入含氮或/和碳的氣體以形成TiN、TiC彌散相，或注入W、Mo時通入含S氣體，在表面形成低摩擦系數(shù)的WS2、MoS2相。可以將本發(fā)明的處理過程與普通的注入過程在時間上交替或相繼進行，即在表面處理過程中，通過通入氣體改變真空度，在零件表面得到注鍍復合層。這種工藝可以應用于任何需要提高表面硬度、耐腐蝕性或其他性能的場合。
基本原理普通的MEVVA離子注入機主要包括離子源、離子束引出和加速系統(tǒng)、真空獲得和測量系統(tǒng)。本發(fā)明的硬件只須在真空爐體的任何位置，在注入件注入面引入最佳，通入可調節(jié)流量的氣體即可。
本發(fā)明的核心是在金屬源離子注入過程中引入氣體元素如N2、空氣、含碳氣體、含硫氣體等，使真空度從通常離子注入的10-3Pa數(shù)量級降低到10-2Pa數(shù)量級，其余參數(shù)可以與通常的離子注入參數(shù)相同。通過在此范圍內調節(jié)真空度，就可實現(xiàn)多元共注或注鍍在時空上的復合。
對于一個氣體體系而言，其間氣體元素粒子的平均自由程，即兩次碰撞過程中粒子移動的平均距離為λ‾=kT2π(r1+r2)2P]]>式中λ，粒子1的平均自由程，k，Boltzmann常數(shù)，r1、r2-粒子1、粒子2半徑，T-溫度，P-真空度。
可見平均自由程隨溫度升高、氣壓下降、碰撞粒子半徑減小而增加。為了提供直觀的概念，將各種氣體粒子在室溫條件下的平均自由程數(shù)據(jù)列于表1，Ti注入時通入氮氣的平均自由程計算結果如圖2所示。低真空條件下注入表面層成分與通常注入條件下的比較列于表2。
從表1和表2可以看出，當普通離子注入的真空條件下，如真空度為5×10-3Pa時，以上常用氣體的平均自由程均大于3米，也就是說，遠大于離子源到工件之間的距離，在離子到達工件表面的過程中，與氣體粒子碰撞的機會很小。而將真空度降低到5×10-2Pa時，平均自由程降低到0.3米以下，遠小于離子源到工件之間的距離，在離子到達工件表面的過程中，很多離子將與氣體粒子多次碰撞，結果將能量和電荷傳遞給氣體粒子，導致氣體離子或原子獲得速度，注入到工件表面，或在工件表面與能量不足以注入的金屬粒子反應形成化合物鍍層。同時降低真空度一個數(shù)量級后，工件表面吸附的氣體粒子也大大增加，有助于被金屬離子轟擊，注入到工件內或在表面與金屬離子形成化合物，提高表面處理層硬度和其他性能。
如圖2所示，對于一般的MEVVA源離子注入機，總能找到一個氣壓，使平均自由程小于離子源到工件表面的距離，使得鈦離子在到達工件表面之前與氮原子或分子相撞，實現(xiàn)鈦、氮共注。
下面以D2鋼表面注入鈦通入氮氣的情況為例進行分析。
在通常的離子注入條件下對D2鋼表面注入Ti，同時將N2通入真空室內，使其真空度維持在5×10-2Pa左右，每平方厘米工件表面“注入”3.5×1017個離子后，在表面得到了金黃色的表面層，表面硬度由原來的760HV0.25kg增加到930HV0.25kg，而普通注入Ti的硬度反而下降，如圖3所示。經XPS檢測成分如表2，表面氮含量由通常的4.35增加到13.40at％，鈦含量由2.38增加到41.7at％，XPS氮峰Gauss擬合分析表明，低真空條件下的氮峰分解為2個峰，如圖4所示，據(jù)此可初步判斷有氮的化合物在近表面生成。AES深度分析表明，注入元素在深度方向的分布不再呈高斯分布，在近表面幾乎恒定，如圖5所示，也就是說，降低真空度，也增加了注入元素在最表面的含量。
保持“注入”劑量為每平方厘米工件表面“注入”3.5×1017個離子，其他條件不變，改變通入N的量來改變真空度，當真空度降低時，注入層硬度增加，同時離子流下降，當達到3.5×10-2Pa時，硬度和離子流變化趨緩，如圖6所示，此時，如以Ti2+計算，平均自由程約為0.4米，為離子源到工件表面距離的2.5分之一。
應用1.對普通工模具，可在單MEVVA源離子注入機上進行多元離子注入處理，避免了單金屬離子注入的硬度升高極為有限甚至下降的缺點，在表面得到了高硬度的注入層。2.也可向真空室內通入更多的氣體，進一步降低真空度，進行表面注鍍復合處理，得到了硬度高于通常離子注入，摩擦系數(shù)低于通常離子注入工藝的表面復合處理層，經分析，該復合層內層為離子注入層，最表面為TiN層，其間具有過渡層。該復合表面層相對于離子鍍涂層而言，具有組織致密、結合牢固、無液滴，應用于生產實驗，使工模具的使用壽命相對于離子注入進一步提高。3.可以在表面處理過程中，交替變化真空度，反復在高真空度下注入，后低真空度下鍍膜，得到離子束混合的表面沉積層。4.可以在處理過程中改變氣體種類，得到多種表面層。如先在表面形成超硬膜，后在表面形成低摩擦系數(shù)膜或耐腐蝕性膜。
表1各種條件下計算的平均自由程數(shù)據(jù)


表2低真空條件下注入表面層成分與通常條件下的比較(at％)

權利要求
1.一種單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，包括以下步驟(1)將工件裝上工件架后，真空爐體內抽真空至真空度在5×10-3Pa以上；(2)向真空爐體內充入氣體使其真空度降至1.0×10-2至7.0×10-2Pa之間；(3)開啟離子源，調節(jié)充入氣體，使真空度保持在金屬離子與通入的氣體原子的平均自由程為離子源到工件距離的1/10至1/2；(4)達到離子1.5×1017ions/cm2至3.5×1017ions/cm2的注入劑量后，關離子源。
2.根據(jù)權利要求1所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述向真空爐體內充入氣體前，對工件進行加熱，控制溫度在室溫至400度之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述離子源是鈦、鎢或鉬金屬源。
4.根據(jù)權利要求3所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述向真空爐體內充入的氣體是氮氣N2、空氣、含碳氣體或含硫氣體。
5.根據(jù)權利要求4所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述向真空爐體內充入氣體前，可先注入金屬離子。
6.根據(jù)權利要求5所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述開啟離子源后充入的氣體是一種以上。
7.根據(jù)權利要求6所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述充入氣體是順序或交替充入。
8.根據(jù)權利要求7所述的單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，其特征在于所述調節(jié)充入氣體時，可交替變化真空度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單MEVVA離子源滲注鍍復合處理工藝，要解決的技術問題是提高離子注入效率，本發(fā)明包括以下步驟1.將工件裝上工件架后，真空爐體內抽真空至5×10
文檔編號C23C14/02GK1676663SQ20041007721
公開日2005年10月5日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權日2004年12月1日
發(fā)明者張德元, 費勤勇, 趙豪民, 耿漫, 馬勝歌 申請人:深圳國家863計劃材料表面工程技術研究開發(fā)中心