一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法
【專利摘要】一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，它涉及一種提高零件離子注入效率的方法。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有使用全方位離子注入批量處理零件時(shí)存在通過降低偏壓來減小鞘層厚度受到限制，限制批量處理零件的效率的問題。方法：一、超聲清洗；二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm～15cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等腰三角形或每四個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線為平行四邊形；三、零件的全方位離子注入。本發(fā)明比常規(guī)方法提高4倍～10倍。本發(fā)明可獲得一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法。
【專利說明】一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高零件離子注入效率的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]全方位離子注入技術(shù)，是直接將待處理工件浸泡在等離子體中，然后在工件上施加一個(gè)脈沖偏壓，在工件周圍形成正離子鞘層，鞘層中離子在鞘層電場(chǎng)作用下從各個(gè)方向同時(shí)注入到工件表面。為了在復(fù)雜形狀零件表面實(shí)現(xiàn)均勻的離子注入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了“保形”或“共形”離子注入技術(shù)，即控制注入時(shí)離子鞘層的形狀，使之與工件形狀類似，這樣工件周圍的電場(chǎng)將與工件表面相垂直，從而使鞘層中的離子可以垂直、均勻的注入到工件表面。
[0003]與常規(guī)離子注入過程相比，全方位離子注入技術(shù)的另外一個(gè)重要特點(diǎn)是批量處理。根據(jù)“保形”離子注入理論，鞘層碰撞而產(chǎn)生的鞘層形狀變化將導(dǎo)致注入劑量的不均勻性。因此，要實(shí)現(xiàn)批量處理過程中零件表面注入劑量的均勻性，必須保證批量處理過程中任意零件周圍的離子鞘層不發(fā)生碰撞。
[0004]根據(jù)J.R.Conrad等人的研究結(jié)果，在典型的全方位離子注入處理參數(shù)(注入電壓為20kV，等離子體密度為I X 11W3,高壓脈寬為10 μ s)條件下，球形零件的鞘層厚度達(dá)到了 0.lm。要保證批量處理時(shí)相鄰零件周圍的離子鞘層不發(fā)生交叉重疊，要求相鄰球體之間的距離大于0.2m，這樣大的距離將大大限制批量處理的效率。雖然通過提高等離子體密度、窄脈沖注入等方式可以減小鞘層厚度，但是由于這些參數(shù)與鞘層厚度之間并不是成正比關(guān)系，鞘層厚度減小值有限。而且，大面積高密度等離子體、窄脈沖高重復(fù)頻率脈沖高壓在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來也非常困難。此外，通過降低注入電壓的方式也可以減小鞘層厚度，但是，低的注入能量將降低表面改性的效果，因此在全方位離子注入批量處理時(shí)通過降低偏壓來減小鞘層厚度的方法應(yīng)用也極為有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有使用全方位離子注入批量處理零件時(shí)存在通過降低偏壓來減小鞘層厚度受到限制，限制批量處理零件的效率的問題，而提供一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法。
[0006]一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，具體是按以下步驟完成的:
[0007]一、超聲清洗:將待處理的零件放入到純度為99.5%的乙醇溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗時(shí)間為15min?20min,得到超聲清洗后的零件；
[0008]二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?15cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等腰三角形或每四個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線為平行四邊形；
[0009]三、零件的全方位離子注入:通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?sccm?lOOsccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.1Pa?0.6Pa，射頻功率為0.1kW?lkW，注入電壓為20kV?40kV，注入頻率為50Hz?300Hz，注入脈寬為5 μ s?50 μ s和注入時(shí)間為Ih?5h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0011]一、本發(fā)明通過分析全方位離子注入處理時(shí)鞘層中的等勢(shì)線分布，發(fā)現(xiàn)等勢(shì)線在鞘層內(nèi)部并非均勻分布；0.1等勢(shì)線與O等勢(shì)線(即鞘層邊緣)之間距離最大，超過鞘層總厚度的1/2，但是該段電場(chǎng)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響只有鞘層中總電場(chǎng)的1/10左右；因此，全方位離子注入批量處理過程中相鄰零件形成的離子鞘層即使發(fā)生較大范圍的碰撞也有可能不會(huì)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生很大的影響；基于以上分析，因此，本發(fā)明提出了“控制鞘層碰撞”離子注入這一技術(shù)，即在全方位離子注入批量處理過程中通過控制相鄰零件周圍離子鞘層的碰撞程度，使離子運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生大的改變以保證離子注入劑量的均勻性，又能將它們之間擺放距離遠(yuǎn)小于2倍鞘層厚度，從而提高批量處理的效率；本發(fā)明兩個(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?15cm,為2倍鞘層厚度的1/3?1/2,小于兩倍離子鞘層的厚度；
[0012]二、本發(fā)明超聲清洗后的零件的離子注入的零件數(shù)量達(dá)到每平方米50個(gè)?100個(gè)，比常規(guī)方法提高4倍?10倍。
[0013]本發(fā)明可獲得一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為離子注入劑量不均勻性隨注入脈寬的變化規(guī)律；圖1中A點(diǎn)為試驗(yàn)一得到的全方位離子注入后的零件的離子劑量不均勻性，B點(diǎn)為試驗(yàn)二得到的全方位離子注入后的零件的離子劑量不均勻性，C點(diǎn)為試驗(yàn)三得到的全方位離子注入后的零件的離子劑量不均勻性。

【具體實(shí)施方式】
[0015]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法具體是按以下步驟完成的:
[0016]一、超聲清洗:將待處理的零件放入到純度為99.5%的乙醇溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗時(shí)間為15min?20min,得到超聲清洗后的零件；
[0017]二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?15cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等腰三角形或每四個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線為平行四邊形；
[0018]三、零件的全方位離子注入:通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?sccm?lOOsccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.1Pa?0.6Pa，射頻功率為0.1kW?lkW，注入電壓為20kV?40kV，注入頻率為50Hz?300Hz，注入脈寬為5 μ s?50 μ s和注入時(shí)間為Ih?5h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
[0019]本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn):
[0020]一、本實(shí)施方式通過分析全方位離子注入處理時(shí)鞘層中的等勢(shì)線分布，發(fā)現(xiàn)等勢(shì)線在鞘層內(nèi)部并非均勻分布；0.1等勢(shì)線與O等勢(shì)線(即鞘層邊緣)之間距離最大，超過鞘層總厚度的1/2，但是該段電場(chǎng)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響只有鞘層中總電場(chǎng)的1/10左右；因此，全方位離子注入批量處理過程中相鄰零件形成的離子鞘層即使發(fā)生較大范圍的碰撞也有可能不會(huì)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生很大的影響；基于以上分析，因此，本實(shí)施方式提出了“控制鞘層碰撞”離子注入這一技術(shù)，即在全方位離子注入批量處理過程中通過控制相鄰零件周圍離子鞘層的碰撞程度，使離子運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生大的改變以保證離子注入劑量的均勻性，又能將它們之間擺放距離遠(yuǎn)小于2倍鞘層厚度，從而提高批量處理的效率；本實(shí)施方式兩個(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?15cm，為2倍鞘層厚度的1/3?1/2，小于兩倍離子鞘層的厚度；
[0021]二、本實(shí)施方式超聲清洗后的零件的離子注入的零件數(shù)量達(dá)到每平方米50個(gè)?100個(gè)，比常規(guī)方法提高4倍?10倍。
[0022]本實(shí)施方式可獲得一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法。
[0023]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)是:步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?8cm。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同點(diǎn)是:步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為6cm?10cm。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同點(diǎn)是:步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為8cm?12cm。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一至三相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同點(diǎn)是:步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為1cm?15cm。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一至四相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同點(diǎn)是:步驟三中通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?sccm?30sccm,氮?dú)獾臍鈮涸?.1Pa?0.3Pa，射頻功率為0.1kff?0.5kW，注入電壓為20kV?30kV，注入頻率為50Hz?150Hz，注入脈寬為5 μ s?20 μ s和注入時(shí)間為Ih?3h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一至五相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同點(diǎn)是:步驟三中通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0sccm?lOOsccm,氮?dú)獾臍鈮涸?.3Pa?0.6Pa，射頻功率為0.5kff?lkW，注入電壓為30kV?40kV，注入頻率為150Hz?300Hz，注入脈寬為25 μ s?50 μ s和注入時(shí)間為Ih?5h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一至六相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同點(diǎn)是:步驟三中通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0SCCH1，氮?dú)獾臍鈮涸?.35Pa，射頻功率為0.5kff,注入電壓為30kV，注入頻率為150Hz，注入脈寬為30 μ s和注入時(shí)間為3h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一至七相同。
[0030]采用以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0031]試驗(yàn)一:一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法具體是按以下步驟完成的:
[0032]一、超聲清洗:將待處理的零件放入到純度為99.5%的乙醇溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗時(shí)間為20min，得到超聲清洗后的零件；
[0033]二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為10cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等邊三角形；
[0034]三、零件的全方位離子注入:通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0sccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.2Pa，射頻功率為0.5kW，注入電壓為30kV，注入頻率為100Hz，注入脈寬為8 μ s和注入時(shí)間為2h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
[0035]試驗(yàn)二:一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法具體是按以下步驟完成的:
[0036]一、超聲清洗:將待處理的零件放入到純度為99.5%的乙醇溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗時(shí)間為20min，得到超聲清洗后的零件；
[0037]二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為10cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等邊三角形；
[0038]三、零件的全方位離子注入:通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0sccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.2Pa，射頻功率為0.5kW，注入電壓為30kV，注入頻率為100Hz，注入脈寬為10 μ s和注入時(shí)間為2h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
[0039]試驗(yàn)三:一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法具體是按以下步驟完成的:
[0040]一、超聲清洗:將待處理的零件放入到純度為99.5%的乙醇溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗時(shí)間為20min，得到超聲清洗后的零件；
[0041]二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為10cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等邊三角形；
[0042]三、零件的全方位離子注入:通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0sccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.2Pa，射頻功率為0.5kW，注入電壓為30kV，注入頻率為100Hz，注入脈寬為12 μ s和注入時(shí)間為2h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
[0043]使用X光電子能譜儀對(duì)試驗(yàn)一、試驗(yàn)二和試驗(yàn)三得到的全方位離子注入后的零件進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示，圖1為離子注入劑量不均勻性隨注入脈寬的變化規(guī)律；圖1中A點(diǎn)為試驗(yàn)一得到的全方位離子注入后的零件的離子劑量不均勻性，B點(diǎn)為試驗(yàn)二得到的全方位離子注入后的零件的離子劑量不均勻性，C點(diǎn)為試驗(yàn)三得到的全方位離子注入后的零件的離子劑量不均勻性。從圖1可以看出注入脈寬數(shù)值增大，即鞘層碰撞程度的增加，會(huì)導(dǎo)致劑量不均勻性變大，但是，通過這種鞘層碰撞程度的控制，可以獲得較好的注入劑量不均勻性(6-11% )。
【權(quán)利要求】
1.一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法具體是按以下步驟完成的: 一、超聲清洗:將待處理的零件放入到純度為99.5%的乙醇溶液中超聲清洗兩次，每次超聲清洗時(shí)間為15min?20min，得到超聲清洗后的零件； 二、將超聲清洗后的零件放入到真空室中，每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?15cm，每三個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線所成的圖形為等腰三角形或每四個(gè)超聲清洗后的零件中心的連線為平行四邊形； 三、零件的全方位離子注入:通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?sccm?lOOsccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.1Pa?0.6Pa，射頻功率為0.1kW?lkW，注入電壓為20kV?40kV，注入頻率為50Hz?300Hz，注入脈寬為5 μ s?50 μ s和注入時(shí)間為Ih?5h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為5cm?8cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為6cm?10cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為8cm?12cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟二中每?jī)蓚€(gè)超聲清洗后的零件之間的間距為1cm?15cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟三中通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?sccm?30sccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.1Pa?0.3Pa，射頻功率為0.1kW?0.5kW，注入電壓為20kV?30kV，注入頻率為50Hz?150Hz，注入脈寬為5 μ s?20 μ s和注入時(shí)間為Ih?3h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟三中通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0sccm?lOOsccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.3Pa?0.6Pa,射頻功率為0.5kff?lkW，注入電壓為30kV?40kV，注入頻率為150Hz?300Hz，注入脈寬為25 μ s?50 μ s和注入時(shí)間為Ih?5h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過控制鞘層碰撞提高零件離子注入效率的方法，其特征在于步驟三中通過射頻輝光放電在真空室中產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體，然后在氮?dú)獾牧髁繛?0sccm，氮?dú)獾臍鈮涸?.35Pa，射頻功率為0.5kW，注入電壓為30kV，注入頻率為150Hz，注入脈寬為30 μ s和注入時(shí)間為3h的條件下對(duì)超聲清洗后的零件進(jìn)行全方位氮離子注入，得到全方位離子注入后的零件。
【文檔編號(hào)】C23C14/48GK104342628SQ201410583269
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】王浪平, 王小峰, 陸洋 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)