单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种单ＭＥＶＶＡ离子源渗注镀复合处理工艺，要解决的技术问题是提高离子注入效率，本发明专利技术包括以下步骤：１．将工件装上工件架后，真空炉体内抽真空至５×１０↑［－３］Ｐａ以上；２．向真空炉体内充入气体使其真空度降至１．０×１０↑［－２］至７．０×１０↑［－２］Ｐａ之间；３．开启离子源，调节充入气体，使真空度保持在金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到工件距离的１／１０至１／２；４．达到离子１．５×１０↑［１７］ｉｏｎｓ／ｃｍ↑［２］至３．５×１０↑［１７］ｉｏｎｓ／ｃｍ↑［２］的注入剂量后，关离子源，本发明专利技术与现有技术相比，在真空弧离子源ＭＥＶＶＡ离子注入机内充入气体，调节充入气体可实现多元共注，实现离子注入和表面镀膜，提高了工件注入层表面性能、功效和工艺稳定性，适用于需要提高表面硬度、耐腐蚀性的工件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属材料表面改性处理工艺，特别是一种单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺。
技术介绍
强流MEVVA源离子注入技术自上世纪末被专利技术以来在提高金属工件表面硬度方面得到了广泛的应用，但单金属离子注入对提高表面硬度效果极其有限，所以大多须与气体源联合使用或金属元素和C元素共同注入，以期在注入层内得到TiC的析出相，前者使设备造价增加、系统性下降；后者的缺点一是石墨很难稳定工作且离子束流很小，通常很短时间，如数分钟就难以引弧，另一缺点是单源分别注入金属和石墨需时长，功效不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺，要解决的技术问题是提高离子注入效率。本专利技术采用以下技术方案一种单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺，包括以下步骤(1)将工件装上工件架后，真空炉体内抽真空至真空度在5×10-3Pa以上；(2)向真空炉体内充入气体使其真空度降至1.0×10-2至7.0×10-2Pa之间；(3)开启离子源，调节充入气体，使真空度保持在金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到工件距离的1/10至1/2；(4)达到离子1.5×1017ions/cm2至3.5×1017ions/cm2的注入剂量后，关离子源。本专利技术的工艺向真空炉体内充入气体前，对工件进行加热，控制温度在室温至400度之间。本专利技术的离子源是钛、钨或钼金属源。本专利技术向真空炉体内充入的气体是氮气N2、空气、含碳气体或含硫气体。本专利技术的工艺向真空炉体内充入气体前，可先注入金属离子。本专利技术开启离子源后充入的气体是一种以上。本专利技术充入气体是顺序或交替充入。本专利技术调节充入气体时，可交替变化真空度。本专利技术与现有技术相比，在普通的金属蒸汽真空弧离子源MEVVA离子注入机内充入气体，保持真空度在1.0至7×10-2Pa之间，调节充入气体可实现多元共注，即同时、相继或交替实现离子注入和表面镀膜，提高了工件注入层表面性能、功效和工艺稳定性，适用于需要提高表面硬度、耐腐蚀性或其他性能的工件。附图说明图1是本专利技术单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺实施例所使用设备的结构示意图。图2是本专利技术实施例注钛通氮条件下计算的平均自由程曲线图。图3是本专利技术实施例在不同氮分压下表面层硬度随注入剂量的变化关系图。图4是本专利技术实施例在不同真空度时氮的XPS谱及Gauss拟合情况变化关系图。图5是本专利技术实施例在低真空时D2钢注Ti通N的表面AES谱象图。图6是本专利技术实施例离子流密度及表面硬度随氮分压的变化关系图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺所使用的设备，包括真空炉体1，真空炉体1上方的离子源2和位于真空室内下面的工件架4，离子源2和工件架4之间的距离为0.5至1.3米，连接在真空炉体1的真空获得系统5，真空炉体1上设置有气体引入装置7，气体引入装置7带有流量调节装置和控制装置，气体入口靠近注入面。真空炉体1内还设有加热装置3，以及控制温度的加热控制装置6、温度测量装置。本专利技术的单MEVVA离子源渗注镀复合处理工艺包括以下步骤(1)将工件装上工件架4后，真空炉体1内抽真空至真空度在5×10-3Pa以上；(2)打开加热源，对工件进行加热，控制温度在室温至400度之间；(3)向真空炉体1内充入氮气N2、空气、含碳气体或含硫气体，使其真空度降至1.0至7×10-2Pa之间；(4)开启钛、钨或钼金属离子源，调节流量调节装置，控制充入气体，使真空度保持在一定范围内，使金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到处理工件距离的1/10至1/2；(5)达到离子1.5×1017ions/cm2至3.5×1017ions/cm2的注入剂量后关气体、离子源和加热源。实施例一、将718钢工件装上工件架后，真空炉体内抽真空至真空度在5×10-3Pa以上，打开加热源，控制工件温度250℃，打开流量调节装置，向真空炉体内充入氮气N2，使其真空度降到3.5×10-2Pa，开启钛金属离子源，加速电压45KV，束流密度20μA/cm2，期间调节流量调节装置，控制充入气体，使真空度保持金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到处理工件距离的1/2，当注入离子总剂量达到3.5×1017ions/cm2时，关离子源和加热源。可在工件表面得到硬度为920HV0.25kg的表面层，用于镜面塑料模具，与未进行表面处理前相比，寿命提高20倍。实施例二、将D2钢工件装上工件架后，真空炉体内抽真空至真空度在5×10-3Pa以上，打开流量调节装置，向真空炉体内充入氮气N2，使真空度降到7×10-2Pa，开启钛金属离子源，加速电压45KV，束流密度20μA/cm2，期间调节流量调节装置，控制充入气体，使真空度保持金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到处理工件距离的1/4，当注入离子总剂量达到1.5×1017ions/cm2时，关离子源。在工件表面得到淡黄色的表面层，用于裁纸模具，与未进行表面处理前相比，寿命提高1倍，且在大气条件下，模具表面耐腐蚀能力大大提高，即使在大气环境工作数月，也不会产生明显的锈蚀污染纸表面。实施例三、将高速钢工件装上工件架后，真空炉体内抽真空至真空度在5×10-3Pa以上，打开加热源，控制工件温度400℃，开启钛金属离子源，注入钛离子1×1017ions/cm2后，打开流量调节装置，向真空炉体内充入氮气N2，使真空度降到3.0×10-2Pa，调节流量调节装置，控制充入气体，使真空度保持金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到处理工件距离的1/2，当注入离子总剂量3×1017ions/cm2时，关离子源和加热源。可在表面得到硬度为1050HV0.25kg的表面层，用于不锈钢冲裁模具，寿命提高10倍。对普通工模具，可在单MEVVA源离子注入机上进行多元离子注入处理，避免了单金属离子注入的硬度升高极为有限甚至下降的缺点，在表面得到了高硬度的注入层。也可向真空室内通入更多的气体，进一步降低真空度，进行表面注镀复合处理，得到了硬度高于通常离子注入，摩擦系数低于通常离子注入工艺的表面复合处理层，经分析，该复合层内层为离子注入层，最表面为TiN层，其间具有过渡层。该复合表面层相对于离子镀涂层而言，具有组织致密、结合牢固、无液滴，应用于生产实验，使工模具的使用寿命相对于离子注入进一步提高。在表面处理过程中，交替变化真空度，反复在高真空度下注入，低真空度下镀膜，得到离子束混合的表面沉积层。可以在处理过程中改变气体种类，得到多种表面层。如先在表面形成超硬膜，后在表面形成低摩擦系数膜或耐腐蚀性膜。本专利技术是在普通的MEVVA源离子注入机上增加气体引入和流量控制系统以及温度测量与控制系统，在通常的离子注入过程中，将注入室的真空度从通常的≤5×10-3Pa提高到1.0×10-2至2.0×10-2Pa，具体的真空度由注入室的结构参数而定，真空度的选择原则是降低真空度，使得注入离子与通入气体原子的平均自由程小于离子源到注入工件的距离，这样，离子在从离子源到工件表面的过程中与气体粒子碰撞，使气体粒子得到能量和电荷，实现单MEVVA源离子注入机上稍加改造后，金属离子和气体离子同时注入或在表面形成镀层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单ＭＥＶＶＡ离子源渗注镀复合处理工艺，包括以下步骤：（１）将工件装上工件架后，真空炉体内抽真空至真空度在５×１０↑［－３］Ｐａ以上；（２）向真空炉体内充入气体使其真空度降至１．０×１０↑［－２］至７．０×１０↑［－２］Ｐａ之间；（３）开启离子源，调节充入气体，使真空度保持在金属离子与通入的气体原子的平均自由程为离子源到工件距离的１／１０至１／２；（４）达到离子１．５×１０↑［１７］ｉｏｎｓ／ｃｍ↑［２］至３．５×１０↑［１７］ｉｏｎｓ／ｃｍ↑［２］的注入剂量后，关离子源。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张德元，费勤勇，赵豪民，耿漫，马胜歌，
申请(专利权)人：深圳国家八六三计划材料表面工程技术研究开发中心，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]