專利名稱：多源金屬離子注入機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多源金屬離子注入機。
背景技術(shù)：
常規(guī)的表面處理技術(shù)，由于需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因此會改變工件的外形尺寸和表面光潔度，使得熱處理完后還需要再進(jìn)行精加工，因而不能達(dá)到使用的要求，并且熱處理層易發(fā)生表面脫皮及剝落現(xiàn)象。
離子注入技術(shù)是近年來在國際上發(fā)展起來的一種材料表面改性高新技術(shù)，其基本原理是用能量為幾十到幾百keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。與常規(guī)表面處理技術(shù)相比，其優(yōu)越性在于由于無需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因而不會改變工件的外形尺寸和表面光潔度；離子注入后無需再進(jìn)行機械加工和熱處理；離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的一個新表面層，它與基體之間不存在剝落問題。
因此，離子注入機是表面處理行業(yè)極度渴望得到的一種設(shè)備。本申請人于2004年9月13日提交了名稱為“一種金屬離子注入機”的發(fā)明專利申請，專利申請?zhí)?00410051332.9，該申請的離子注入機結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作容易、使用可靠，但是，該機主要是靠工件靶臺的旋轉(zhuǎn)把工件的表面暴露出來(也就是機械掃描)給離子注入，需要工件靶臺具有較高的靈活性，這種方法存在以下不足1、旋轉(zhuǎn)靶不是萬能的，不能把工件需要注入的表面和不需要注入的表面嚴(yán)格分開，因而造成不必要的能量損失和工件溫度的升高；2、旋轉(zhuǎn)靶很難把需要注入的多表面工件的表面準(zhǔn)確地暴露給離子注入；3、使用正常大小的離子束流注入工件，由于工件是多個表面的，完成注入就需要時間較長，效率低；4、功能比較齊全的旋轉(zhuǎn)靶，需要多維運動，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，工作可靠性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、離子注入均勻、效率高的多源金屬離子注入機。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括兩個或兩個以上的金屬離子源、離子源供電系統(tǒng)、真空室、工件靶臺、抽真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制屏，兩個或兩個以上的所述金屬離子源設(shè)置于所述真空室的上部并與所述真空室相連通，兩個或兩個以上的所述金屬離子源相互成一定角度，所述工件靶臺設(shè)置于所述真空室中，所述冷卻系統(tǒng)與所述金屬離子源相連接，所述控制屏分別與所述離子源供電系統(tǒng)、所述真空室、所述抽真空系統(tǒng)、所述冷卻系統(tǒng)相連接。
所述金屬離子源包括陰極、陰極支架、觸發(fā)電極、絕緣陰極套、陽極、陽極支架、放電室、等離子體室、第一柵、第二柵和第三柵，所述觸發(fā)電極由所述絕緣陰極套隔開設(shè)置于所述陰極外周，所述放電室上端與所述陰極支架相連接、下端與所述陽極支架相連接，所述放電室外周均勻設(shè)有4～8個成對的磁柱，所述等離子體室上端與所述陽極支架相連接、下端與所述第一柵相連接，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵依次由上至下相隔開設(shè)置，所述第一柵與所述第二柵之間的距離為5～10mm，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵的柵板均為2～5mm厚，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵上均設(shè)有1300～1800個φ3～5mm的小孔，所述陽極支架與所述等離子體室之間、所述等離子體室外壁設(shè)有四個或四個以上N、S極相間排列的磁環(huán)；所述離子源供電系統(tǒng)由觸發(fā)電源、弧壓電源、束流引出電源和負(fù)壓電源組成，所述觸發(fā)電源的正極與所述觸發(fā)電極相連，所述觸發(fā)電源的負(fù)極與所述陰極相連，所述弧壓電源的正極分別與所述陽極、所述第一柵及所述束流引出電源的正極相連，所述弧壓電源的負(fù)極與所述陰極相連，所述負(fù)壓電源的正極分別與所述束流引出電源的負(fù)極、所述第三柵及地面相連，所述負(fù)壓電源的負(fù)極與所述第二柵相連，所述弧壓電源的特性阻抗為1Ω、脈寬為0.44～0.65ms、頻率為5～25Hz。
所述放電室外周均勻設(shè)有6個成對的磁柱，所述第一柵與所述第二柵之間的距離為7mm，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵的柵板均為3mm厚，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵上均設(shè)有1627個φ4mm的小孔，所述陽極支架與所述等離子體室之間、所述等離子體室外壁設(shè)有5個N、S極相間排列的磁環(huán)；所述弧壓電源的脈寬為0.5ms。
本發(fā)明還包括電機，所述電機采用永磁式直流力矩電動機，所述工件靶臺由支柱和靶盤組成，所述電機設(shè)置于所述真空室內(nèi)并分別與所述支柱和所述控制屏相連。
它還包括氮氣源和質(zhì)量流量閥，所述質(zhì)量流量閥分別通過導(dǎo)管與所述氮氣源和所述真空室相連通，所述質(zhì)量流量閥與所述控制屏相連。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用了兩個或兩個以上的互成角度的金屬離子源，可以使兩個或兩個以上的金屬離子束準(zhǔn)確地注入到工件上的不同部位，在較短的時間內(nèi)滿足多表面工件的離子注入，而工件靶臺只需沿軸向這一個自由度緩慢旋轉(zhuǎn)即可，因此結(jié)構(gòu)簡單、離子注入均勻、效率高。
金屬離子蒸汽真空弧離子源通常稱為MEVVA，產(chǎn)生的金屬離子種類多，只要以導(dǎo)電的固體材料作陰極，元素周期表中從Li到U各元素均可產(chǎn)生強金屬離子束，產(chǎn)生的離子束束流強，電荷剝離率高，例如對Ti來講，能產(chǎn)生Ti+3％、Ti++80％、Ti+++17％，如果引出電壓為30kV，就可以引出60keV和90keV能量級的鈦離子束，只要采用高純材料作陰極材料，離子束的純度就高。
由于本發(fā)明的第一柵與第二柵的距離近為5～10mm，第一柵、第二柵、第三柵均較薄為2～5mm厚，第一柵、第二柵、第三柵上均設(shè)有小而多的引出孔1300～1800個φ3～5mm的小孔，因此在引出電壓低于20kV甚至在10kV也能引出足夠大的束流，本發(fā)明注入靶上的平均鈦離子束流大于5mA，通過機械掃描，其注入面積達(dá)到1810cm2；由于本發(fā)明是脈沖形式工作，其弧壓電源的特性阻抗為1Ω、脈寬為0.44～0.65ms，頻率為5～25Hz，在此特定機制下進(jìn)行離子注入，注入時間短，注入溫度低低于100℃，絕對保證被注入工件不會發(fā)生任何變形；由于本發(fā)明在放電室外周均勻設(shè)有4～8個成對的磁柱，所以提高了離子流和弧流之比，即在同樣的弧流下可引出的離子束流較大；由于本發(fā)明在陽極支架與等離子體室之間、等離子體室外壁設(shè)有若干N、S極相間排列四個或四個以上的磁環(huán)，所以能形成的離子束均勻度好，提高了工件的處理質(zhì)量；由于本發(fā)明設(shè)有與工件靶臺相耦合傳動的永磁式直流力矩電動機，所以省去了齒輪鏈和真空室上的動密封，提高了可靠性并降低了整機成本；由于本發(fā)明還設(shè)有氮氣源和質(zhì)量流量閥，所以可采用金屬離子與氮氣的混合束注入，省去了分析磁鐵及其供電電源。
綜上多種因素，使整機結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作容易、使用可靠，應(yīng)用本發(fā)明加工工件成本低。本發(fā)明是一種純凈的無污染無公害的工件表面處理機，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明金屬離子源和真空室的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明離子源供電系統(tǒng)與金屬離子源的連接示意圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括金屬離子源1、離子源供電系統(tǒng)、真空室2、工件靶臺3、電機22、抽真空系統(tǒng)4、冷卻系統(tǒng)、氮氣源25、質(zhì)量流量閥26和控制屏。
所述金屬離子源1有兩個設(shè)置于所述真空室2的上部并與所述真空室2相連通，兩個所述金屬離子源1分別與垂直方向成24度夾角。所述金屬離子源包括陰極5、陰極支架6、觸發(fā)電極7、絕緣陰極套8、陽極9、陽極支架10、放電室11、等離子體室12、第一柵13、第二柵14，所述觸發(fā)電極7由所述絕緣陰極套8隔開設(shè)置于所述陰極5外周，所述放電室11上端與所述陰極支架6相連接、下端與所述陽極支架10相連接，所述放電室11外周均勻設(shè)有4～8個成對的磁柱16，本實施例的所述放電室11外周均勻設(shè)有6個成對的磁柱16，所述等離子體室12上端與所述陽極支架10相連接、下端與所述第一柵13相連接，所述第一柵13、所述第二柵14依次由上至下相隔開設(shè)置，所述第一柵13與所述第二柵14之間的距離為5～10mm，本實施例的第一柵13與第二柵14之間的距離為7mm，所述第一柵13、所述第二柵14的柵板均為2～5mm厚，本實施例的第一柵13、第二柵14的柵板均為3mm厚，所述第一柵13、所述第二柵14上均設(shè)有1300～1800個φ3～5mm的小孔，本實施例的第一柵13、第二柵14上均設(shè)有1627個φ4mm的小孔，所述陽極支架10與所述等離子體室12之間、所述等離子體室12外壁設(shè)有四個或四個以上N、S極相間排列的磁環(huán)17，本實施例的陽極支架10與等離子體室12之間、等離子體室12外壁設(shè)有5個N、S極相間排列的磁環(huán)17。
本發(fā)明冷卻系統(tǒng)采用純水冷卻，用纏繞在管架上的細(xì)長水管將水源、水泵及金屬離子源相連接，不易漏電，增強了安全性同時節(jié)省能源。
所述工件靶臺3設(shè)置于所述真空室2中，所述工件靶臺由支柱23和靶盤24組成。所述電機22采用永磁式直流力矩電動機，該電機能經(jīng)常使用在低速狀態(tài)，放置于真空室2中與所述支柱23直接耦合傳動來帶動靶盤24轉(zhuǎn)動，省去了齒輪鏈和真空室上的動密封，提高了可靠性并降低了整機成本，所述電機22與控制屏通過導(dǎo)線相連接。
所述抽真空系統(tǒng)4分別與真空室2和控制屏相連，采用常規(guī)的抽真空系統(tǒng)。
所述質(zhì)量流量閥26分別通過導(dǎo)管與所述氮氣源25和所述真空室2相連通，所述質(zhì)量流量閥26與所述控制屏相連。
如圖3所示，所述離子源供電系統(tǒng)與所述控制屏相連接。所述離子源供電系統(tǒng)由觸發(fā)電源18、弧壓電源19、束流引出電源20和負(fù)壓電源21組成，所述觸發(fā)電源18的正極與所述觸發(fā)電極7相連，所述觸發(fā)電源18的負(fù)極與所述陰極5相連，所述弧壓電源19的正極分別與所述陽極9、所述第一柵13及所述束流引出電源20的正極相連，所述弧壓電源19的負(fù)極與所述陰極5相連，所述負(fù)壓電源21的正極分別與所述束流引出電源20的負(fù)極及地面相連，所述負(fù)壓電源21的負(fù)極與所述第二柵14相連。所述弧壓電源19的特性阻抗為1Ω、脈寬為0.44～0.65ms、頻率為5～25Hz之間可調(diào)，本實施例的弧壓電源19的脈寬為0.5ms。
權(quán)利要求
1.一種多源金屬離子注入機，包括金屬離子源(1)、離子源供電系統(tǒng)、真空室(2)、工件靶臺(3)、抽真空系統(tǒng)(4)、冷卻系統(tǒng)和控制屏，所述金屬離子源(1)設(shè)置于所述真空室(2)的上部并與所述真空室(2)相連通，所述工件靶臺(3)設(shè)置于所述真空室(2)中，所述冷卻系統(tǒng)與所述金屬離子源(1)相連接，所述控制屏分別與所述離子源供電系統(tǒng)、所述真空室(2)、所述抽真空系統(tǒng)(4)、所述冷卻系統(tǒng)相連接，其特征在于所述真空室(2)的上部設(shè)置有兩個或兩個以上的所述金屬離子源(1)，兩個或兩個以上所述金屬離子源(1)相互成一定角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源金屬離子注入機，其特征在于所述金屬離子源(1)包括陰極(5)、陰極支架(6)、觸發(fā)電極(7)、絕緣陰極套(8)、陽極(9)、陽極支架(10)、放電室(11)、等離子體室(12)、第一柵(13)、第二柵(14)和第三柵(15)，所述觸發(fā)電極(7)由所述絕緣陰極套(8)隔開設(shè)置于所述陰極(5)外周，所述放電室(11)上端與所述陰極支架(6)相連接、下端與所述陽極支架(10)相連接，所述放電室(11)外周均勻設(shè)有4～8個成對的磁柱(16)，所述等離子體室(12)上端與所述陽極支架(10)相連接、下端與所述第一柵(13)相連接，所述第一柵(13)、所述第二柵(14)、所述第三柵(15)依次由上至下相隔開設(shè)置，所述第一柵(13)與所述第二柵(14)之間的距離為5～10mm，所述第一柵(13)、所述第二柵(14)、所述第三柵(15)的柵板均為2～5mm厚，所述第一柵(13)、所述第二柵(14)、所述第三柵(15)上均設(shè)有1300～1800個φ3～5mm的小孔，所述陽極支架(10)與所述等離子體室(12)之間、所述等離子體室(12)外壁設(shè)有四個或四個以上N、S極相間排列的磁環(huán)(17)；所述離子源供電系統(tǒng)由觸發(fā)電源(18)、弧壓電源(19)、束流引出電源(20)和負(fù)壓電源(21)組成，所述觸發(fā)電源(18)的正極與所述觸發(fā)電極(7)相連，所述觸發(fā)電源(18)的負(fù)極與所述陰極(5)相連，所述弧壓電源(19)的正極分別與所述陽極(9)、所述第一柵(13)及所述束流引出電源(20)的正極相連，所述弧壓電源(19)的負(fù)極與所述陰極(5)相連，所述負(fù)壓電源(21)的正極分別與所述束流引出電源(20)的負(fù)極、所述第三柵(15)及地面相連，所述負(fù)壓電源(21)的負(fù)極與所述第二柵(14)相連，所述弧壓電源(19)的特性阻抗為1Ω、脈寬為0.44～0.65ms、頻率為5～25Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源金屬離子注入機，其特征在于所述放電室(11)外周均勻設(shè)有6個成對的磁柱(16)，所述第一柵(13)與所述第二柵(14)之間的距離為7mm，所述第一柵(13)、所述第二柵(14)、所述第三柵(15)的柵板均為3mm厚，所述第一柵(13)、所述第二柵(14)、所述第三柵(15)上均設(shè)有1627個φ4mm的小孔，所述陽極支架(10)與所述等離子體室(12)之間、所述等離子體室(12)外壁設(shè)有5個N、S極相間排列的磁環(huán)(17)；所述弧壓電源(19)的脈寬為0.5ms。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多源金屬離子注入機，其特征在于它還包括電機(22)，所述電機(22)采用永磁式直流力矩電動機，所述工件靶臺(3)由支柱(23)和靶盤(24)組成，所述電機(22)設(shè)置于所述真空室(2)內(nèi)并分別與所述支柱(23)和所述控制屏相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多源金屬離子注入機，其特征在于它還包括氮氣源(25)和質(zhì)量流量閥(26)，所述質(zhì)量流量閥(26)分別通過導(dǎo)管與所述氮氣源(25)和所述真空室(2)相連通，所述質(zhì)量流量閥(26)與所述控制屏相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多源金屬離子注入機，該多源金屬離子注入機包括兩個或兩個以上的互成角度的金屬離子源(1)、離子源供電系統(tǒng)、真空室(2)、工件靶臺(3)、抽真空系統(tǒng)(4)、冷卻系統(tǒng)和控制屏。金屬離子源(1)包括陰極(5)、陰極支架(6)、觸發(fā)電極(7)、絕緣陰極套(8)、陽極(9)、陽極支架(10)、放電室(11)、等離子體室(12)、第一柵(13)、第二柵(14)和第三柵(15)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、離子注入均勻、效率高、效果好。
文檔編號C23C14/48GK101016621SQ20061012413
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者陶士慧, 馬山明, 邵先華, 葉圍洲, 蔡恩發(fā), 蔡堅將, 吳觀綿, 吳九妹, 蔡秀芳 申請人:珠海市恩博金屬表面強化有限公司