專利名稱：鉭噴絲頭表面等離子體強(qiáng)化技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體強(qiáng)化技術(shù)，尤其是化纖行業(yè)用鉭噴絲頭表面等離子體強(qiáng)化技術(shù)。
噴絲頭是安裝在化學(xué)纖維紡絲機(jī)紡絲部位上的一個(gè)重要的精密零件，也是紡絲成型的基礎(chǔ)元件,其上密布有成千上萬個(gè)直徑φ0.05～0.1mm的精密喇叭型微孔，紡絲原液經(jīng)微孔噴出后成絲。噴絲頭性能的好壞直接影響到勞動(dòng)生產(chǎn)率,絲的質(zhì)量和成本等多項(xiàng)指標(biāo)。
時(shí)噴絲頭的材質(zhì)要求有a)耐腐蝕性、要求能耐酸、耐堿的腐蝕；b)良好的機(jī)械加工性能；c)足夠的機(jī)械物理性能，如強(qiáng)度、硬度，以保證在紡絲的工作壓力下不變形，操作過程中不致于被劃傷，破壞微孔形狀；d)價(jià)格低廉。十幾年前，人們逐漸用鉭代替金鉑來制作噴絲頭，鉭具有極好的耐酸腐蝕性能，優(yōu)良的精密加工性能，價(jià)格僅為黃金的五分之一，鉭的不足之處是硬度低，耐堿腐蝕性能較差，所以人們一直尋求通過表面處理來彌補(bǔ)不足。
所有的表面處理方法都基于鉭的極其活潑的化學(xué)性質(zhì),Ta2O5的生成自由能ΔF298為-1896.5-1908.2KJ/mol，而TaN的ΔF298為-218.2KJ/mol?？梢姡谧匀粭l件下，鉭有很強(qiáng)的自發(fā)生成氧化物、氮化物的傾向，生成氧化物的傾向更大。選擇某種表面處理方法只不過是對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行選擇，從而選擇符合要求的表面強(qiáng)化層而已，如硬度、化學(xué)穩(wěn)定性，表面粗糙度、尺寸及形狀變化等。
現(xiàn)有的表面處理方法按處理介質(zhì)分類可分為兩類一類是在液體介質(zhì)中進(jìn)行處理，一類是在氣體介質(zhì)中進(jìn)行處理，按表面處理過程中互件是否加電壓也可分成兩類，但現(xiàn)在處理大多數(shù)都加電壓，詳見表一。
目前報(bào)道的具體表面強(qiáng)化技術(shù)種類較多，歸納如下1、在含鋰熔鹽中進(jìn)行陽極化處理，使其表面形成鉭酸鋰。
2、在硫酸、磷酸、草酸中陽極化，生成五氧化二鉭膜。
3、在氧氣、氮?dú)?、一氧化碳或丙烷和氬氣中進(jìn)行吸氣或滲碳處理。
4、用爆炸焊的方法將不銹鋼或純鉭與鉭合金結(jié)合在一起形成噴絲板，再在氮?dú)庵刑幚怼?br> 5．化學(xué)氣相沉積法沉積TIN6．表面離子注入氮。
上述方法中，真正在市場(chǎng)中占有份額的只有第一種。
表一處理方法分類
上述方法的缺陷是處理成本高，表面粗糙度高、處理工序多，如陽極化處理必須先進(jìn)行電化學(xué)處理來擴(kuò)大孔徑以彌補(bǔ)由于表面處理導(dǎo)致的孔徑縮??；而離子注入中的離子以強(qiáng)電場(chǎng)的加速，又在高真空中運(yùn)動(dòng)，相互碰撞幾率較小，其運(yùn)動(dòng)基本上是一維的，因而其注入只能在一個(gè)方向上進(jìn)行，不適合用于噴絲頭的表面處理。
本發(fā)明的目的在于克服已有表面處理技術(shù)所存的缺陷，提供一種成本非常低廉，處理后噴絲頭的形狀、尺寸變化小，表面粗糙度低，處理工序少，影響因素少的適用于鉭噴絲頭的表面強(qiáng)化處理工藝。
本發(fā)明的任務(wù)是通過以下方式完成的，即在氫、氮及其它氣體的等離子場(chǎng)中進(jìn)行鉭表面強(qiáng)化。具體地說，將潔凈的鉭噴絲頭置于一真容容器中，將容器抽至1Pa數(shù)量級(jí)的真空度；給鉭噴絲頭加上200～1000V的直流陰極電壓，并通入氫。氮混合氣體，氫．氮的分壓比為4∶1～10∶1；控制泵的抽速，使真空容器內(nèi)保持300～1000Pa的真空度，在容器內(nèi)形成均勻，穩(wěn)定的低溫等離子體；調(diào)節(jié)電參數(shù)和真空度，使鉭噴絲頭的溫度保持在500～900℃之間，維持0.5～1.5小時(shí)；斷電降溫，到100℃以下時(shí)停氣，停泵，打開容器，取出噴絲頭。
在本發(fā)明中,真空容器內(nèi)除通入氫氣、氮?dú)馔?，還可通入氫氣和含碳?xì)怏w。
在本發(fā)明中，含碳?xì)怏w包括乙醇、丙酮、甲烷、乙炔等。
在本發(fā)明中，工藝參數(shù)對(duì)鉭噴絲頭的影響簡(jiǎn)述如下1、溫度，溫度升高，滲入速度加快，同時(shí)有利于鉭的氮化物的形成。另外，氫在鉭中的溶解度隨溫度升高下降，直到溫度升到700℃以上后，再升高溫度，溶解度保持恒定，而氮在鉭中的溶解度隨溫度升高一直增加，所以，升高溫度有利于氮的滲入，阻止氫的滲入，這時(shí)噴絲頭是有利的但隨著溫度的升高，變形增加，表面粗糙度上升，且受到鉭再結(jié)晶溫度的限制。
2．時(shí)間，時(shí)間延長(zhǎng)，滲層加厚，滲層厚度與時(shí)間的關(guān)系基本符合數(shù)學(xué)式S=×T(1/2)，K為比例常數(shù)，隨溫度升高而增加。在650℃時(shí)為15μm/h(1/2)。
3．氣體比，隨著氫、氮分壓比增加，表面層中的鉭的氧化物減少，當(dāng)R/N大于9∶1時(shí)，鉭的氧化物基本消失。
4．容器內(nèi)壓力，容器內(nèi)壓力首先影響電參數(shù)，在總壓力小于1Pa或大于1500Pa時(shí)，幾乎不能形成等離子體，此時(shí)電壓力為電源電壓，電流為零。在本發(fā)明工藝所處的異常放電區(qū)內(nèi)，在1～1500Pa之間改變總壓力，電流有一極大值，而電壓有一極小值，兩者變化相反。隨著壓力增加，產(chǎn)生電弧放電的可能性增加，而電弧放電容易燒壞噴絲頭表面，導(dǎo)致噴絲頭報(bào)度。其次，壓力影響陰極表面的濺射速度，壓力低，陰極濺射速度大，不利于滲入。
5．陰極電流及電壓，兩者相互影響不能單獨(dú)調(diào)節(jié)。在總壓力一定時(shí)，兩者同時(shí)增加或下降。如前所述，改變總壓力時(shí)，兩者變化趨勢(shì)相反。電流與電壓的乘積為噴絲頭加熱的總功率?？偣β视撸郎赜?，最終溫度愈高。電流表征等離子體中的離子流，離子流增加有利于表面滲入材料的富集，從而增加滲速；電壓表征等離子體中的單個(gè)離子的能量。能量增加，對(duì)噴絲頭表面的濺射增加。
工藝參數(shù)的選擇原則是，噴絲頭互作壓力大，耐腐蝕性要求高，則采用厚滲層，即選擇較高溫度，較長(zhǎng)時(shí)間。其他參數(shù)幾乎可以不變。
等離子態(tài)是物質(zhì)除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以外的第四種存在形態(tài)。在等離子場(chǎng)中，雖整體能量不高，但單個(gè)離子能量可以很高，使得在此溫度下通常不能進(jìn)行的物理化學(xué)過程在等離子場(chǎng)中可以進(jìn)行。如在1000℃的含C等離子體中可形成金剛石。本發(fā)明中等離子體的作用可通過以下試驗(yàn)來驗(yàn)證，將一塊原始表面粗糙度為Ra=0.1μm的鉭材放在真空中，使其一面處于等離子場(chǎng)中，另一面屏蔽掉(使其不處于等離子場(chǎng)中)，在相同的溫度,氣氛中保持相同的時(shí)間，將如此處理的鉭片兩面進(jìn)行分析，結(jié)果為處于等離子場(chǎng)中的一面表面粗糙度為0.3μm，肉眼看上去表面幾乎無變化，而被屏蔽掉的一面表面粗糙度為2μm，已完全沒有金屬光澤。經(jīng)X射線衍射物相分析，兩面的表面層晶體結(jié)構(gòu)也不相同?？梢姷入x子體的存在改變了原有的化學(xué)反應(yīng)，抑制了較粗糙的Ta2O5生成。
本發(fā)明與離子注入方法不同，離子注入需要高得多的真空度和電壓，因而對(duì)設(shè)備要求很高，而且其注入只能在一個(gè)方向上進(jìn)行，本發(fā)明不存在單向性的問題，所有暴露在等離子體中的表面都可以得到強(qiáng)化。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的其它處理工藝，一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是處理成本極其低廉。如都不考慮設(shè)備的一次性投資，本發(fā)明的處理成本只相當(dāng)于陽極化處理的十分之一，設(shè)備投資略高于陽極化處理的設(shè)備。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是處理后噴絲頭的形狀，尺寸變化小，不需要象陽極化處理那樣應(yīng)預(yù)先進(jìn)行電化學(xué)處理來擴(kuò)大孔徑以彌補(bǔ)由于表面處理導(dǎo)致的孔徑縮小。另外，經(jīng)本發(fā)明互藝處理的噴絲頭的表面粗糙度相對(duì)于現(xiàn)有其它處理工藝也是最低的，不需要象陽極化處理那樣進(jìn)行后處理，處理工序少，影響因素少，工藝穩(wěn)定性，再現(xiàn)性都很好。本發(fā)明無任何環(huán)保問題。
經(jīng)本發(fā)明處理的鉭噴絲頭表面硬度可達(dá)HV500～1200，整體抗變形能力大大加強(qiáng)，在保證了鉭噴絲頭優(yōu)異的耐酸腐蝕性的基礎(chǔ)上使鉭噴絲頭的耐堿腐蝕性大大提高，使其在NaOH水溶液中的電極電位提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，腐蝕速率僅為純鉭的五分之一，經(jīng)處理的鉭噴絲頭具有更好的紡絲質(zhì)量和更高的使用壽命。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更為詳細(xì)的描述。
實(shí)施例1將表面粗糙度為0.1μm的鉭噴絲頭置于真空容器中，抽真空至2Pa，給鉭噴絲頭加上300V的直流陰極電壓，使容器內(nèi)形成低溫等離子體，向容器內(nèi)按9∶1的比例通入氫氣、氮?dú)猓刂票玫某樗?，使容器?nèi)氣壓保持在500±2Pa，同時(shí)調(diào)節(jié)電流和電壓，使等離子體均勻、穩(wěn)定，利用等離子體將噴絲頭加熱，升溫并保持在670±10℃，保持1小時(shí)，斷電降溫，到100℃以下時(shí)停氣、停泵，打開容器，取出噴絲頭，可得到厚度為15μm、硬度為HV0.1kg 500的以TaN和鉭、氮固溶體構(gòu)成的表面層，表面粗糙度為0.3μm。
實(shí)施例2將表面粗糙度為0.1μm的鉭噴絲頭置于真空容器中，抽真空至5Pa、給鉭噴絲頭加上500V的直流陰極電壓，使容器內(nèi)形成低溫等離子體，向容器內(nèi)按5∶1的比例通入氫氣、氮?dú)?，控制泵的抽速，使真空容器?nèi)保持800±2Pa的真空度，同時(shí)調(diào)節(jié)電流和電壓，使等離子體均勻、穩(wěn)定，使鉭噴絲頭的溫度保持在780±10℃，保持0.7小時(shí)，斷電降溫，到100℃以下時(shí)停氣、停泵，打開容器，取出鉭噴絲頭即可，表面層硬度為HV0.1kg600，表面粗糙度為0.6μm。厚度為15μm。
實(shí)施例3將表面粗糙度為0.1μm的鉭噴絲頭置于真空容器中，抽真空至8Pa，給鉭噴絲頭加上800V的直流陰極電壓，使容器內(nèi)形成低溫等離子體，向容器內(nèi)按7∶1的比例通入氫氣、氮?dú)?，控制泵的抽速，使真空容器?nèi)保持980±2Pa的真空度，同時(shí)調(diào)節(jié)電流和電壓，使等離子體均勻、穩(wěn)定，使鉭噴絲頭的溫度保持在580±10℃，保持1.5小時(shí)，斷電降溫，到100℃以下時(shí)停氣、停泵，打開容器，取出鉭噴絲頭即可，硬度為HV0.1kg 500，表面粗糙度為0.3μm厚度為15μm。
權(quán)利要求
1.一種鉭噴絲頭表面等離子體強(qiáng)化技術(shù)，其特征在于a、將潔凈的鉭噴絲頭置于一真空容器中，將容器抽至1Pa數(shù)量級(jí)的真空度；b、給鉭噴絲頭加上200～1000V的直流陰極電壓，并通入氫、氮混合氣體，氫、氮的分壓比為4∶1～10∶1；c、控制泵的抽速，使真空容器內(nèi)保持300～1000Pa的真空度，在容器內(nèi)形成均勻、穩(wěn)定的低溫等離子體；d、調(diào)節(jié)電參數(shù)和真空度，使鉭噴絲頭的溫度保持在500～900℃之間，維持0.5～1.5小時(shí)；e、斷電降溫，到100℃以下時(shí)停氣，停泵，打開容器，取出噴絲頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭噴絲頭表面等離子體強(qiáng)化工藝，其特征在于容器內(nèi)除通入氫氣、氮?dú)馔?還可通入氫氣和含碳?xì)怏w。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉭噴絲頭表面等離子體強(qiáng)化工藝，其特征在于含碳?xì)怏w包括乙醇、丙酮、甲烷、乙炔。
全文摘要
一種鉭噴絲頭表面等離子體強(qiáng)化技術(shù)。即在真空容器中,給鉭噴絲頭加上200～1000V的直流陰極電壓,按4∶1～10∶1通入氫氮混合氣體,使真空容器內(nèi)保持100～1000Pa的真空度,調(diào)節(jié)電參數(shù)和真空度,使鉭噴絲頭保持500～900℃的溫度,維持0.5～1.5小時(shí),斷電降溫,到100℃以下時(shí)停氣、停泵,取出噴絲頭。該工藝成本低廉,處理后噴絲頭的形狀,尺寸變化小,表面粗糙度低,處理工序少,處理后的噴絲頭紡織質(zhì)量和使用壽命都得到了提高。
文檔編號(hào)C23C8/36GK1230603SQ9811703
公開日1999年10月6日 申請(qǐng)日期1998年11月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月16日
發(fā)明者張德元, 李放, 陸德平, 朱福如, 許蘭萍, 彭文屹, 羅文 , 張友亮, 付青峰, 鄧?guó)Q, 蔡莉 申請(qǐng)人:江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所